Евгений Борисенков - Климат и деятельность человека

• Название: Климат и деятельность человека
• Автор: Евгений Борисенков
• Издательство: Наука
• Жанр: География
• Год: 1982

Проблема климата и его изменений стала в последнее время в ряд первоочередных научных и практических проблем мирового масштаба. Состояние ее, пути решения и полученные на сегодняшний день результаты — тема предлагаемой вниманию читателей книги. Значительное место в ней уделено истории климата, анализу его изменений под влиянием естественных процессов и факторов антропогенного происхождения, связанных с хозяйственной деятельностью человека, рассматриваются также международные проекты по изучению климата.

---

В одной из последних работ американского климатолога Брайсона и др. на основе численных экспериментов с одной из разновидностей теплобалансовой модели показано, что одновременный учет роста CO2 и увеличения аэрозоля дает суммарный эффект уменьшения средней температуры атмосферы. В этом случае тепличный эффект CO2 перекрывается обратным воздействием аэрозоля.

В то же время имеются и другие оценки. Так, по данным английского климатолога Мейсена, расчеты, произведенные с наиболее современной 13-уровенной моделью, включающей тропосферу и стратосферу, привели к противоположным результатам. Включение стратосферного слоя пыли, достаточного для задержания 4% приходящей солнечной радиации, дало локальное потепление в стратосфере до 10° С вследствие поглощения радиации пылью. Но на уровне Земли заметного эффекта не наблюдалось. Автор считает, что на основании этого вряд ли можно утверждать, что более холодные эпохи климата в прошлом были вызваны извержениями вулканов. По-видимому, и роль аэрозоля в будущем не совсем ясна.

Так или иначе, но аэрозольный эффект не может рассматриваться изолированно от других факторов, влияющих на климат. Нельзя, в частности, не указать, что аэрозоль в тропосфере может влиять на микроструктуру облачности и осадки. Через облачность возможно изменение условий прохождения радиации в атмосфере и климата.

В стратосфере и особенно в верхней тропосфере (вблизи тропопаузы) за счет полетов самолетов увеличивается количество водяного пара. Так, при сжигании 1 кг топлива образуется около 1,2—1,4 кг водяного пара. При использовании водородного топлива на каждый килограмм сгораемого топлива будет образовываться около 8 кг водяного пара. При ожидаемом увеличении полетов самолетов к 2000 г. количество дополнительно вводимой влаги в стратосфере составит около 0,26 млн. т, т. е. около 10% количества влаги в стратосфере. Вносимая влага становится ядрами конденсации, на которые «перекачивается» вследствие разностей упругостей насыщения водяного пара надо льдом и водой влага из атмосферы. При определенных благоприятных условиях образуется перистая облачность (ее аналог — облачные следы за самолетами).

Таким образом, облачный аэрозоль антропогенного происхождения может воздействовать если не на глобальный, то на региональный климат. Так или иначе, проблема аэрозоля, и в особенности антропогенного, — одна из ключевых в современной теории климата.

Воздействие на подстилающую поверхность и климат

Человечество уже давно начало воздействовать на подстилающую поверхность, существенно меняя ее альбедо. Начался этот процесс на заре человеческой цивилизации. Первоначально он проявлялся в вырубке и выжигании лесов для высвобождения земли под пахоту и угодья. Так, площадь культивированных земель возросла с 500 млн. га (5·106 км2) в 1860 г. до 1,37 млрд. га (13,7·106 км2) в 1970 г.

Как следует из табл. 6, предполагаемая площадь потенциального сельскохозяйственного производства без использования ирригации составляет 17 млн. км2, к этому следует добавить около 4,7 млн. км2 потенциально орошаемых земель. Предполагаемый рост населения приведет, таким образом, к освоению около 22 млн. км2 земель под сельскохозяйственные угодья. Альбедо этих территорий существенно изменится.

Разрушительные операции в лесу, оголение достаточно больших площадей меняют энергетический, водный и биохимический циклы. Ликвидация лесного покрова и оголение почв ведут к осушению атмосферы. Уже в ближайшие 20—30 лет использование земли в тропиках коснется территории примерно (1,2—1,5)·109 га, или около 12—15 млн. км2.

Теоретические расчеты показывают, что при полной ликвидации лесного покрова на земном шаре среднее годовое альбедо повысилось бы примерно на 0,6%. В случае уничтожения лесов параметр шероховатости уменьшился бы с 14,9 до 3 см. Это изменило бы поверхностное торможение, уменьшило угол отклонения ветра от изобар, что повлияло бы на поле давления, вертикальные токи и общую циркуляцию атмосферы в целом.

Большое влияние на альбедо и шероховатость оказывает строительство водохранилищ, городов, дорог, развитие энергетического комплекса и т.д. Пожалуй, единственный способ оценить возможное влияние на климат воздействия на подстилающую поверхность — это численные эксперименты с моделями общей циркуляции атмосферы и климата. Результаты их, в частности, показали, что пустыни, расположенные в основном в субтропической зоне, имеют очень высокое альбедо — около 35%. По этой причине они отражают большее количество коротковолновой солнечной радиации, чем окружающие районы. Кроме того, поскольку пустыни сильно нагреты, они теряют уходящую длинноволновую радиацию, которая из-за незначительного содержания водяного пара мало задерживается атмосферой. По этой же причине пустыни типа Сахары, Гоби и др. являются такими же зонами потери энергии, как и полярные районы. Данная особенность пустынь, четко зафиксированная с метеорологических спутников, приводит либо к ослаблению возникающих под влиянием каких-то других причин восходящих движений, либо к формированию нисходящих вертикальных движений и еще большему удалению воздуха от состояния насыщения. Из этого следует, что с уничтожением растительности в прилегающих к пустыням районах увеличится альбедо и они приблизятся к пустынным (такой же качественный эффект дает и уничтожение тропических лесов). Далее начинает действовать механизм «иссушения» за счет нисходящих вертикальных движений. Перенаселение указанных зон, чрезмерное использование пастбищ и обработка земли также могут изменить альбедо, режим осадков. В связи с этим сейчас подвергаются переоценке причины гибели цивилизации в некоторых районах Африки и других аридных зонах около 4 тыс. лет назад. Предполагается, что этот процесс уже тогда был связан с человеческой деятельностью.

Так выглядит картина качественно. Количественный эксперимент был проделан для объяснения конкретной засухи в Сахели. Благодаря осадкам, выпадающим во внутритропической зоне конвергенции, этот район Африки относится к числу плодородных. Северная граница зоны конвергенции располагается вблизи 18° с. ш. летом и 10° с. ш. зимой, зоны песков на 32° с. ш. Таким образом, пояс песков лежит между 18° и 32° с. ш. летом и 10°—32° с. ш. зимой. В зоне 10—18° с. ш. растительность зимой обычно сохраняется. Достаточно зоне конвергенции сместиться на несколько градусов широты к югу, как северная часть этого района оказывается в условиях жесточайшей засухи.

За последние несколько тысяч лет смена влажных и сухих периодов происходила здесь с периодичностью 700—800 лет. В последние несколько столетий засухи в Сахели повторялись в среднем один раз в 30 лет. Однако в конце 60-х — начале 70-х годов засухи в Сахели следовали несколько лет подряд. Сахельская засуха представляет яркий пример катастрофического изменения климатических условий крупного района.

Основываясь на приведенном выше качественном механизме, американский ученый Чарни высказал гипотезу, что исчезновение растительности в результате хозяйственной деятельности, в частности вытаптывание ее при выпасе скота, вблизи 18° с. ш. и несколько севернее могло привести к увеличению здесь альбедо и развитию нисходящих вертикальных движений, препятствующих реализации конвективных, а тем более фронтальных осадков.

Численный эксперимент с простейшей моделью показал, что изменение альбедо с 14 до 35% севернее 18° с. ш. действительно привело к формированию в зоне 10°—18° с. ш. нисходящих вертикальных движений. Эксперимент с полной моделью общей циркуляции атмосферы показал также, что в июле-августе количество осадков вблизи и севернее 18° с. ш. при названном выше изменении альбедо уменьшилось почти вдвое. Самое существенное заключалось в том, что область максимальных ливневых осадков, связанная с внутритропической зоной конвергенции, сместилась к югу и расположилась примерно в зоне 10°—18° с. ш., в то время как при альбедо, равном 14%, оно располагалось в зоне 10°—26° с. ш. Активная же зона дождей при увеличении альбедо сместилась к югу на 4—6° широты, что действительно наблюдалось в период сахельских засух и характерно для климата этого района последних лет.

Можно привести и другие примеры. Так, выполненные автором совместно с Л. К. Ефимовой численные эксперименты показали, что увлажнение пустынных районов за счет искусственного орошения приведет к обратной картине — уменьшится альбедо и увеличится интенсивность восходящих вертикальных движений. В результате климатические условия станут благоприятнее и пустыни отступят.

Подобные же эксперименты были проведены в Англии. Выводы согласуются с приведенными выше: если данный район сделать влажным, то в нем создаются условия для дальнейшего поддержания такого состояния.