Глобальное потепление

Глобальное потепление, или Высокий градус политики

        На первый взгляд кажется совершенно невероятным, что тончайшая «пленка» из белковых тел, населяющих нашу планету, может как-то влиять на столь глобальную характеристику, как климат 3емли. Однако именно эта «биомасса» уже неоднократно кардинальным образом видоизменяла облик нашей планеты, состав атмосферы и среднюю температуру океанов. Когда-то влияние на земной климат оказывали в основном водоросли и растения, а теперь очередь дошла до животных, точнее, до самого активного из них, Человека разумного. Но неужели он — единственный виновник потепления?

        Каждый, кто внимательно следит за научными новостями, не испытывает недостатка в свидетельствах потепления климата. Практически еженедельно появляются сообщения об исследованиях в этой сфере. Вот британские натуралисты сообщают о смещении к северу ареалов некоторых видов птиц. Канадцы отмечают, что северные реки остаются замерзшими в среднем на две недели меньше, чем полвека назад. В Гренландии в последние годы резко ускорилось движение ледников, спускающихся к морю. Арктические льды отступают летом значительно дальше на север, чем прежде. На Антарктическом полуострове, который вытянулся в сторону Южной Америки, тоже идет быстрое разрушение ледников. По некоторым данным, стал замедлять свое течение Гольфстрим…

        Складывается впечатление, что на Земле действительно наступает «оттепель». Однако, чтобы говорить об этом уверенно, нужно проследить за глобальными изменениями температуры приземного воздуха, что совсем не так просто, как может показаться на первый взгляд: температура на нашей планете испытывает значительные колебания как во времени, так и в пространстве. Чтобы с некоторой точностью определить ее среднюю величину, нужны тысячи измерений, причем, что важно, все они должны быть выполнены по единой методике. А чтобы уверенно зафиксировать потепление, такие измерения надо проводить непрерывно в течение нескольких сотен лет. Подобной методики пока не существует. Большинство метеостанций создано лишь недавно, а самые старые, где накоплены многолетние наблюдения, часто расположены в больших городах, где с развитием энергетики стал формироваться особый микроклимат, существенно отличающийся от климата окружающих территорий. Например, зимой в центре Москвы температура может быть на 5 градусов выше, чем по области. Не хватает метеостанций в полярных районах, в горах, в развивающихся странах. Почти не охвачены измерениями обширные пространства океанов.

       С конца 1970-х годов на помощь климатологам пришли спутники. Однако и они не решают всех проблем. В частности, им недоступны территории, скрытые сплошной облачностью. Кроме того, спутниковые измерения выполняются дистанционно косвенными методами, и на их точность влияет множество трудно учитываемых факторов — от поглощения света в атмосфере до ошибок в калибровке бортовых приемников излучения. Поэтому данные космического мониторинга надо постоянно сверять с наземными измерениями.

Правдоподобная гипотеза

        Из-за сложностей анализа глобальных изменений температуры некоторые ученые до сих пор не признают потепление фактом и предпочитают говорить о нем как о правдоподобной гипотезе, нуждающейся в тщательной проверке. И все же подтверждений с каждым годом становится все больше.

       Климатологи из крупнейших мировых исследовательских центров, собрав доступные архивы метеоданных из разных уголков земного шара, обработали их и привели по возможности к единой шкале. Получилось четыре ряда глобальных температур, начинающихся со второй половины XIX века. На них видны два отчетливых эпизода глобального потепления. Один из них приходится на период с 1910 по 1940 год. За это время средняя температура на Земле выросла на 0,3— 0,4°C. Затем в течение 30 лет температура не росла и, возможно, даже немного снизилась. А с 1970 года начался новый эпизод потепления, который продолжается до сих пор. За это время температура повысилась еще на 0,6— 0,8°C. Таким образом, в целом за XX век средняя глобальная температура приземного воздуха на Земле выросла примерно на один градус. Это довольно много, поскольку даже при выходе из ледникового периода потепление обычно составляет всего 4—5°C.

Что может влиять на климат?

       Вариации радиуса и вытянутости земной орбиты. Расстояние от Земли до Солнца изменяется не только на масштабах времен порядка 100 миллионов лет, но и с периодом около 20 тысяч лет. При этом уровень летней инсоляции полушарий регулярно варьируется почти на 10% из-за удаления от Солнца.

       Колебания наклона земной оси. Наклон земной оси к плоскости орбиты составляет 23,5° и испытывает колебания величиной 1° за десятки и сотни тысяч лет. Эти изменения влияют на температурный контраст между высокими и низкими широтами.

      Флуктуации интенсивности космических лучей. Космические лучи ионизируют атомы в атмосфере Земли. Ионы служат центрами конденсации водяного пара и способствуют образованию облаков, что повышает альбедо Земли. Интенсивность космических лучей меняется при движении Солнечной системы по Галактике.

        Изменение светимости Солнца. Сейчас количество энергии, поступающей от Солнца, колеблется очень незначительно (примерно на 0,1%). Между тем нельзя исключить более значительных колебаний на длительных отрезках времени.

       Переполюсовка земного магнитного поля. Характерный масштаб — порядка четверти миллиона лет. Правда, последняя переполюсовка произошла 780 тысяч лет назад. В момент смены полярности атмосфера в меньшей мере защищена от действия солнечного ветра и космических лучей.

        Парниковые газы в атмосфере. Удерживают инфракрасное излучение Земли, препятствуя его уходу в космос.

        Изменения ландшафтов. От характера земной поверхности и растительности на ней зависит количество рассеиваемого излучения и в конечном счете альбедо Земли. В частности, существенное влияние на ландшафт оказывают сельское хозяйство и урбанизация.

        Падения астероидов, крупные вулканические извержения, ядерные взрывы на поверхности Земли. Выброс аэрозолей в стратосферу уменьшает количество солнечной энергии, поступающей на Землю, а пыль в тропосфере увеличивает облачность — так называемый эффект «ядерной зимы». Продолжительность — от нескольких месяцев до десятков лет.

Случайная закономерность

        Еще 10—15 лет назад большинство ученых считали, что наблюдаемое потепление климата — всего лишь относительно крупный локальный всплеск на температурном графике. Однако уверенно регистрируемый рост температур в последние годы убедил большинство скептиков в том, что глобальное потепление действительно наступает. Причем уже понятно, что в различных районах оно проявляется с разной силой. Так, например, американский Национальный центр климатических данных NCDC проследил за изменениями температуры над океаном и сушей. Выяснилось, что над сушей температура растет заметно быстрее, чем над морской гладью, — вполне прогнозируемый результат, если учесть огромную теплоемкость воды в океанах.

        Более подробное исследование предлагает Центр предсказания и исследования климата им. Хэдли (Hadley Centre for Climate Prediction and Research, Великобритания). Здесь есть данные более чем по 20 регионам. Бросается в глаза то, что факт потепления более бесспорен для Северного полушария Земли. Причем в самом Северном полушарии заметен меридиональный градиент — на севере потепление заметнее, чем на юге. В Южном полушарии по-настоящему серьезное потепление отмечается только на    Антарктическом полуострове. Причем на всей остальной территории Антарктиды, особенно в ее центральных районах, ничего похожего в последние 50 лет не наблюдается. Все это дает основание ряду ученых говорить, что потепление носит локальный характер, связанный с Северным полушарием Земли. Объяснение в этом случае предлагают искать в недостаточно изученных пока квазипериодических процессах перестройки океанических течений, подобных явлению Эль-Ниньо (это теплое течение, эпизодически возникающее у берегов Эквадора и Перу, воздействует на погоду во всем Тихоокеанском регионе), но, возможно, еще более медленных.

         За четверть века, с 1979 (фото слева) по 2003 (фото справа) год, область, покрытая арктическим льдом, заметно уменьшилась. Многие ученые связывают это явление с начавшимся глобальным потеплением

         Наиболее сильные колебания температуры наблюдаются в Арктике, Гренландии и на Антарктическом полуострове. Именно приполярные регионы, где вода находится на границе таяния и замерзания, наиболее чувствительны к изменениям климата. Здесь все пребывает в состоянии неустойчивого равновесия. Небольшое похолодание приводит к увеличению площади снегов и льдов, которые хорошо отражают в космос солнечное излучение, способствуя тем самым дальнейшему понижению температуры. И наоборот, потепление приводит к сокращению снежно-ледового покрова, что приводит к лучшему прогреву воды и почвы, а от них уже и воздуха. Возможно, что именно эта особенность полярного равновесия является одной из причин тех периодических оледенений, которые неоднократно переживала Земля на протяжении последних нескольких миллионов лет. По мнению некоторых климатологов, это равновесие настолько хрупко, что наблюдаемое в XX веке потепление уже стало необратимым и закончится полным таянием льдов, по крайней мере в Северном полушарии. Однако большинство специалистов не столь радикальны в своих суждениях.

Ледниковые летописи

         Множество архивных источников содержат информацию о том, что в XVI— XVIII веках Европа пережила так называемый малый ледниковый период. В Лондоне зимой замерзала Темза, в Центральной Европе значительно увеличились горные ледники, а в России отмечались особенно суровые зимы. Эти сведения получили более надежное подтверждение, когда во Франции были обработаны записи о датах начала сбора винограда. Записи охватывают период с середины XIV века, и по ним можно с хорошей точностью определить среднюю температуру летом. Более универсальный метод, позволяющий заглянуть в прошлое на столетия, а в некоторых случаях и на тысячелетия, основан на анализе годовых колец, которые в теплые годы у деревьев толще, чем в холодные.

         На масштабах до 20 тысяч лет, охватывающих последнее оледенение, определить климат отдельных территорий можно по пыльце растений, которую находят в осадочных породах на мелководье. Конечно, таким способом численные значения температуры не вычислишь, но зато можно проследить за процессами изменения климата на большой территории и за долгое время. И уже совсем в далекое прошлое позволяют заглянуть ледовые керны, которые добывают в ледниках Антарктиды и Гренландии. Например, из скважины, пройденной на Земле Королевы Мод и на антарктическом куполе Конкордия, удалось добыть лед возрастом около 900 тысяч лет. Главную ценность для климатологов представляют вмороженные в лед крошечные пузырьки воздуха. По соотношению изотопов кислорода 16O и 18O в древнем воздухе можно определить среднюю температуру в соответствующую эпоху. Эта методика основана на том факте, что молекулы, в состав которых входит менее тяжелый изотоп 16O, легче улетают с поверхности океанов в атмосферу, а значит, изотопный состав воздуха зависит от температуры верхних слоев воды. Кроме того, пузырьки несут информацию о химическом составе атмосферы.

       За миллионнолетним рубежом ледники уже не могут помочь палеоклиматологам. На помощь приходят морские осадочные породы. По содержащимся в них окаменелым остаткам, а также по изотопному составу можно судить о средней температуре воды на поверхности океана, отодвинув тем самым известный климатический горизонт на десятки миллионов лет в прошлое.

        А дальше исследования становятся неотделимыми от палеонтологических работ. Фактически климат угадывают по данным о животных, обитавших в те далекие времена. Точность таких реконструкций невысокая, но все же некоторые факты определяются довольно уверенно. Например, известно, что кораллы погибают, если температура воды надолго опускается ниже 18°С. А динозавры, будучи хладнокровными животными, обитали только в зоне положительных температур. И если их скелеты находят в Антарктиде, значит, там был в свое время достаточно мягкий климат. (Правда, и сама Антарктида не находилась тогда на Южном полюсе.) Опираясь на подобные факты, палеонтологи пришли к заключению, что на протяжении последних 2,5 миллиарда лет теплые и холодные эпохи чередовались, причем на долю теплых приходится более 80% времени.

       Таким образом, сами по себе смены климата — для Земли естественны. Причем в некоторых случаях такие пертурбации происходят довольно быстро. Например, выход из последнего ледникового периода длился порядка тысячи лет (но на отступление ледников ушло в несколько раз больше времени). И все же нынешнее потепление определенно ставит рекорды скорости. Чтобы температура менялась на градус всего за столетие, это беспрецедентный случай. По крайней мере, в ледниковых «летописях» ничего подобного не обнаруживается.

Космические лучи и «погода»

        Впервые слова о том, что космические лучи могут влиять на погоду, зазвучали в конце 50-х годов. В основу идеи легли реальные наблюдения, демонстрировавшие совпадения колебаний мощности космических лучей с вариациями погоды. Палеоклиматические исследования также показывали, что эпохи холодного климата вполне коррелируют с периодами времени, когда поток лучей был выше. Говоря о космических лучах, обычно имеют в виду частицы с энергиями 10—20 ГэВ, которые рождаются в основном там, где недавно вспыхивали сверхновые звезды. Эти лучи влияют на степень ионизации тропосферы, то есть число заряженных частиц в единице объема.

         Новые данные о связи космических лучей с климатом были получены в конце 90-х годов Хенриком Свенсмарком (Henrik Svensmark) и его коллегами. Эти исследователи обнаружили связь потока галактических космических лучей с облачным покровом Земли. Чем сильнее поток лучей, тем, оказывается, больше облачность. Поскольку высокая облачность приводит к росту коэффициента отражения солнечного света, то глобальная температура в такие периоды падает. Обнаружилась еще одна возможная причина обледенения — увеличение потока космических лучей. Причин для этого изменения может быть несколько. Одна состоит в том, что Солнце, совершая свой путь вокруг центра Галактики, периодически проходит сквозь ее спиральные рукава, где плотность космических лучей максимальна из-за взрывов массивных сверхновых. Вторая причина связана с возможностью возрастания темпа вспышек сверхновых в окрестности Солнца. Более того, даже при неизменном галактическом потоке космических лучей вариации солнечной активности могут приводить к существенным колебаниям числа быстрых заряженных частиц вблизи Земли. Дело в том, что солнечный ветер как бы несет с собой магнитное поле. Оно, в свою очередь, препятствует проникновению космических лучей в центральную часть планетной системы. Активное Солнце, влияя на поток космических лучей, приводит к увеличению температуры на Земле, и, напротив, наблюдается некоторое падение температуры во время одиннадцатилетних минимумов солнечной активности. Причем эти колебания нельзя объяснить теми микроскопическими изменениями яркости Солнца (на уровне долей процента), которые связаны с изменением числа пятен и протуберанцев. Магнитное поле Земли тоже препятствует проникновению космических лучей в ту область атмосферы, где формируются облака. Скорее всего, все перечисленные выше причины работают. В итоге получается очень сложная совокупность эффектов, приводящих к вариации потока галактических космических лучей в тропосфере. Некоторые исследователи полагают, что большая часть так называемого глобального потепления может быть связана именно с наблюдающимся сегодня уменьшением потока космических лучей.