Солнечный цикл и орбита Земли. Интенсивность солнечной радиации меняется, хотя и в относительно небольших пределах. Прямые измерения интенсивности солнечного излучения имеются только за последние 25 лет, но есть косвенные параметры, в частности активность солнечных пятен, что давно используется для оценки интенсивности солнечной радиации. Кроме изменения потока от Солнца, Земля получает разное количество энергии в зависимости от положения ее эллиптической орбиты, которая испытывает колебания. В течение последнего миллиона лет ледниковые и межледниковые периоды менялись в зависимости от положения орбиты нашей планеты. Меньшие колебания орбиты наблюдались в последние 10 тысяч лет и климат стал относительно стабильным. Однако в любом случае колебания орбиты – явление достаточно инерционное, оно принципиально важно в тысячелетнем масштабе времени, в то время как антропогенное воздействие на климат имеет гораздо более короткий временной масштаб.
Антропогенные причины. К антропогенным причинам относится, прежде всего, повышение концентрации в атмосфере парниковых газов, в основном СО2, образующегося при сжигании ископаемого топлива. Другие причины – выброс аэрозольных частиц, сведение лесов, урбанизация и т.п.
Баланс солнечной и длинноволновой радиации. В целом приходящая солнечная радиация (342 Вт/м2) равна отраженной радиации (107 Вт/м2) плюс исходящая от Земли длинноволновая радиация (235 Вт/м2). По порядку величины нарушение, вызванное антропогенной деятельностью составляет менее 3 Вт/м2 или менее 1% от общего баланса. На радиационные потоки большое влияние может оказывать антропогенное изменение подстилающей поверхности, изменение альбедо из-за сведения лесов, таяния снежного покрова и т.п.
Рост концентрации в атмосфере парниковых газов. Концентрация парниковых газов (углекислого газа, метана, закиси азота) возрастала в течение ХХ века и сейчас этот рост продолжается со все большей скоростью. Концентрация СО2 возросла с 280 ppm (частей на миллион) в 1750 г. до 370 ppm в 2000 году. Считается, что в 2100 г. концентрация СО2 будет в пределах от 540 до 970 ppm, в основном, в зависимости от того, как будет развиваться мировая энергетика. Парниковые газы отличаются большим сроком нахождения в атмосфере. Половина всех выбросов СО2 остается в атмосфере 50-200 лет, в то время как вторая половина поглощается океаном, сушей и растительностью. При этом основная роль принадлежит океану, по некоторым оценкам, примерно 80% поглощения СО2 и “производства” кислорода приходится на фитопланктон.
Парниковый эффект от разных газов можно привести к “общему знаменателю”, выражающему то, во сколько раз больший эффект дает 1 тонна того или иного газа, чем 1 тонна СО2. Для метана переводной коэффициент равен 21, для закиси азота 310, а для некоторых фторсодержащих газов несколько тысяч. Однако, хотя концентрация метана выросла примерно в 2,5 раза, это намного меньше, чем изменение концентрации СО2. Оценки показывают, что именно с СО2 связано примерно 80% антропогенного парникового эффекта, в то время как метан дает 18-19%, а все остальные газы -- 1-2%. Поэтому во многих случаях, говоря об антропогенном парниковом эффекте, подразумевают именно СО2.
Заметим, что водяной пар – главный парниковый газ планеты -- вносит в парниковый эффект вклад, в целом еще больший, чем СО2. Однако изменение его концентрации в атмосфере пока не зарегистрировано (ни антропогенных, ни естественных).
Парниковые газы также хорошо перемешиваются в атмосфере. В результате парниковый эффект не зависит от места конкретного выброса СО2 или иного газа. Фактически любой локальный выброс оказывает только глобальное действие и уже глобальный эффект порождает вторичные эффекты, которые сказываются на климате того или иного конкретного места.
Аэрозоли. Аэрозоли – мелкие частицы, размером в несколько десятых долей микрона, которые находятся в атмосфере во взвешенном состоянии. Они образуются в результате химических реакций между газообразными загрязняющими веществами, от лесных пожаров, сельскохозяйственной деятельности, от выбросов предприятий и транспорта. Аэрозоли делают нижние слои тропосферы (до 10 км) более мутными и рассеивают свет, что понижает температуру приземного слоя атмосферы. Кроме того, аэрозоли усиливают облачный покров, что также приводит к охлаждению. Обычно аэрозоли находятся в атмосфере недолго, при наличии осадков, например, около недели. Поэтому действие аэрозолей достаточно локально.
Изменения в землепользовании и урбанизация. За последние 150-250 лет из-за изменений в землепользовании значительно сократилось количество биомассы и почвенного углерода, а, значит, и запас углерода в наземных экосистемах в целом. В результате в атмосферу поступило большое количество СО2. Резко сократилась площадь лесов, прежде всего, в тропиках. Выпас все большего количества скота в развивающихся странах, особенно, в Африке, привел к деградации пастбищ. Все это повлияло не только на местный климат, но и внесло свой отрицательный вклад в глобальные процессы. Для многих территорий угроза опустынивания, связанная с локальными явлениями (вырубка лесов, истощение запасов подземных вод, чрезмерный выпас скота и т.п.) усиливается последствиями глобального изменения климата (например, большей частотой засух, ливневым характером выпадающих осадков).
Способствовала изменению климата и урбанизация. Сейчас в городах живет примерно половина населения планеты. Город с населением в 1 миллион человек в день “производит” 25 тыс. тонн СО2 и 300 тыс. тонн сточных вод. Кроме этого, в больших городах температура воздуха выше на несколько градусов из-за большого количества “горячих” объектов: зданий, машин, и т.п. В развитых странах, находящихся в теплом климате, на кондиционирование воздуха расходуется больше энергии, чем на отопление. То есть борьба с потеплением с помощью кондиционеров приводит к еще большему потеплению.
3. Главные наблюдаемые изменения
Температура. Большое количество независимо проведенных наблюдений подтверждает, что за ХХ век общее повышение температуры приземного слоя воздуха составило 0,60С. На бытовом уровне измерения температуры воздуха это кажется ничтожной величиной. Но для огромного количества измерений за последние 150 лет и большого количества косвенных данных за предыдущие столетия такое изменение – значительно и статистически значимо, что наглядно видно на графике из последнего отчета Всемирной метеорологической организации. Статистическая точность выявленного изменения ±0,20С, что также неплохо для такого рода процессов.
Постоянно и быстро растет концентрация в атмосфере СО2. За последние десятилетия ее рост во много раз превысил сезонные и межгодовые колебания.
По свидетельству ВМО: “все большее количество палеоклиматических данных свидетельствует, что темпы и продолжительность потепления в ХХ веке больше, чем в любой иной период за последнюю тысячу лет. Девяностые годы ХХ века являются, вероятно, самым теплым десятилетием тысячелетия в Северном полушарии. Самым жарким годом за весь период измерения температуры был 1998 г., а 2001 г. занял второе место”.
Возрастают как максимальные, так и минимальные среднесуточные температуры, однако минимальные температуры возрастают – “теплеют” более быстрыми темпами. По вертикальному профилю атмосферы потепление неравномерно, измерения радиозондов и спутников показывают, что тропосфера и поверхность Земли стали теплее, а стратосфера несколько холоднее.
Осадки, снежный и ледовый покров, уровень моря. Продолжается увеличение осадков в средних и высоких широтах Северного полушария (кроме восточной части Азии). Паводки стали наблюдаться даже в тех местах, где дождь -- редкое событие. Уменьшается объем (площадь и толщина) льдов в Арктике, однако изменение льдов в Антарктиде пока не существенно. За последние 45-50 лет арктический морской лед стал тоньше почти на 40% (по состоянию на конец лета, начало осени).
Наблюдается явное увеличение сильных и экстремально сильных явлений, связанных с осадками. Типичным стало более позднее образование льда и более ранний ледоход на реках и озерах, сокращение размеров ледников и таяние вечной мерзлоты.
Наводнения и засухи, нередко сопровождающиеся гибелью урожая и лесными пожарами, стали более частыми, причем это нельзя объяснить ростом численности населения планеты или “освоением” новых земель.
Повышение среднего глобального уровня моря в среднем за ХХ век находится в пределах 1-2 мм в год, что на первый взгляд кажется незначительной величиной. Но это больше показателей ХIХ века и, вероятно, в 10 раз превышает среднюю величину повышения уровня моря за последние 3000 лет. С другой стороны, нет убедительных свидетельств изменения характеристик штормов.
Развитие явления Эль-Ниньо (двухгодичная циркуляция атмосферы и океана в южной части Тихого океана) еще с середины 1970х годов стало необычным по сравнению с предыдущей сотней лет.
По некоторым оценкам, более четверти коралловых рифов во всем мире разрушены в результате потепления воды. Если такая тенденция продолжится, то большая часть коралловых рифов погибнет через 20 лет. За последние несколько лет в наиболее сильно пораженных районах, таких как Мальдивские и Сейшельские острова, яркие цвета потеряли до 90% коралловых рифов, что является очень негативным признаком.
Предсказуемость и моделирование. Климатическая система Земли содержит в себе элементы, зависящие от многих случайных величин, поэтому подробный прогноз погоды в среднем возможен только на срок до двух недель. Однако сами процессы циркуляции атмосферы и океана уже удается довольно детально описывать с помощью математических моделей. Они основываются на физических законах и явлениях, все они, включая и парниковый эффект, имеют достаточно строгое описание с точки зрения физики атмосферы и океана. Уравнения, описывающие эти законы, совместно “решаются” на пространственной сетке земной атмосферы и океана. В последние 25 лет для развития таких моделей было предпринято множество усилий и достигнут большой прогресс, кардинально изменилась вычислительная техника. В результате модели “умеют” воспроизводить динамику атмосферы и океана, облака и осадки, образование и таяние снежного покрова и морских льдов. Таким образом, можно смоделировать “средний” климат или набор его наиболее вероятных состояний на тот или иной год при заданных входных параметрах. В число входных параметров, конечно, входит и концентрация в атмосфере парниковых газов и ряд естественных факторов, в частности, вулканическая деятельность.