Обратные связи и неопределенность в прогнозировании климата

Основной вопрос трансформации исходной природной среды заключа­ется в том, при каких уровнях концентрации парниковые газы будут вызы­вать беспрецедентное изменение климата. Изучение данного аспекта долж­но учитывать имеющиеся отрицательные и положительные обратные свя­зи.

Водяные пары. Нагретая атмосфера в результате увеличения скорости испарения должна содержать больше водяных паров. Водяной пар сам по себе является сильнодействующим парниковым газом. Следовательно, это положительная обратная связь, что было доказано с помощью спутниковых измерений, проведенных в рамках программы ERBE (эксперимент по изуче­нию радиационного баланса Земли), показавших, что в современных усло­виях величина инфракрасного излучения (ИК), поглощенного в атмосфере, значительно возрастает с увеличением температуры морской поверхности.

Лед и снег. При глобальном потеплении лед и снег в горных ледниках и в некоторых полярных областях будет таять. Это означает, что из-за мень­шей, чем в настоящее время, площади блестящего льда поверхность прогре­той Земли способна отразить меньшую часть падающего на нее излучения обратно в космос. Более темная поверхность поглощает больше лучей — это положительная обратная связь. Хотя при моделировании климата этот про­цесс не вызывает сомнений, реальная ситуация является, возможно, более сложной.

Облака занимают только десятую часть объема тропосферы, и всего лишь миллионную часть их объема занимает конденсированная вода. Тем не менее облака играют ключевую роль в значении температуры Земли в конкретное время и в конкретном месте посредством поглощения и отраже­ния солнечной энергии. Вариации поверхности облачного покрова и, следо­вательно, отражательной способности облаков создают, вероятно, наиболь­шую неопределенность в предсказании масштаба глобального потепления. В результате изменений таких параметров, как количество, высота и содер­жание влаги, облака могут играть роль как положительной, так и отрица­тельной обратной связи для глобального потепления. Так, например, в вер­хних слоях атмосферы облака могут играть роль навеса, тем самым пони­жая температуру атмосферы. В то же время в нижних слоях они могут усилить парниковый эффект, улавливая длинноволновый спектр солнечного излучения.

Облачность является существенным фактором, регулирующим тепло­вое состояние и увлажнение земной поверхности. Диапазон колебаний об­лачности в природе на порядок превышает эффект в изменении температу­ры воздуха и осадков, обусловливаемых ростом содержания в атмосфере парниковых газов антропогенного происхождения. Поэтому наблюдаемый рост облачности является мощным фактором, который сдерживает имею­щееся потепление климата.

Облака играют важную роль в регуляции энергетического запаса Земли. Обычно они закрывают половину земной поверхности, и 30% солнечных лучей, которые отражаются Землей в космос, отражаются с помощью обла­ков. Однако облака не только отражают солнечные лучи от Земли: они так­же поглощают некоторое количество тепла, выделяемое Землей, и отража­ют это тепло обратно на ее поверхность. В настоящее время отражательная способность облаков превосходит создаваемый ими парниковый эффект, благодаря чему облака оказывают охлаждающее воздействие на поверхность Земли.

И отражающее воздействие облаков и возникающий благодаря им пар­никовый эффект достаточно велики по сравнению с парниковым эффектом, имеющим место в связи с СОг ^и другими атмосферными газами. После­дние сведения, полученные во время эксперимента, проведенного с помо­щью спутника, свидетельствуют о следующих масштабах потепления: если потепление от удвоения концентрации СОг принять за 1, то охлаждающий эффект облаков равен 11, а эффект потепления облаков равен в настоящее время 7. Следовательно, эффект охлаждения в четыре раза превосходит воз­можное потепление, которое будет вызвано удвоением концентрации СОг-

Однако необходимо учитывать характер облачности: высокие облака за­держивают тепло, низкие — отражают его. Эксперимент ERBE показал, что в настоящее время суммарное воздействие облаков приводит к охлаждению Земли. Но при глобальном потеплении ситуация может кардинально изме­ниться. Например, чем больше облаков будет формироваться на больших (и более холодных) высотах, тем меньше будет их излучение, и поэтому они будут влиять на парниковый эффект как положительная обратная связь. Такая же неопределенность имеет место в предсказаниях знака обратных связей, обусловленных изменением величины облаков и (или) содержания в них воды.

Химия тропосферывключает в себя сложное переплетение химических обратных связей, но наибольшее значение имеют реакции, вызываемые гидроксильным радикалом ОН. Гидроксил является «очищающим агентом» ат­мосферы. Это химический реагент, который окисляет такие газы, как метан, окись углерода, окислы азота и не содержащие метана углеводороды, гидро-хлорфторуглероды и гидрофторуглероды. Прогретой Земле свойственна бо­лее высокая влажность и, следовательно, в ее атмосфере возможно образова­ние большего количества ОН. Но в то же время в результате увеличения вы­бросов, которые окисляет гидроксил, будет иметь место сильный отток ОН.

Аэрозольные частицы. Антропогенные выбросы серы, объемы кото­рых возрастали в северном полушарии в течение всего XX в. в результате сжигания ископаемого топлива, образуют аэрозоли, влияющие на оптичес­кие свойства облаков, что вызывает охлаждение Земли. Следовательно, это отрицательная обратная связь, созданная человеком. О величине этого воз­действия трудно судить, но можно предполагать, что оно сравнимо с парни­ковым эффектом (хотя и с противоположным знаком). Другими словами, если бы не серные выбросы, то наблюдаемое увеличение средней глобаль­ной температуры от 0, 3 до 0, 6°С, возможно, было бы в 2 раза большим.

Отрицательное влияние на климат антропогенных выбросов серы сле­дует рассматривать не как возможный вклад в ослабление глобального по­тепления, а как часть серьезной проблемы. Действительно, выбросы дву­окиси серы (сернистого ангидрида), которые вызывают образование цент­ров конденсации облаков, увеличивающих обратную связь, в то же время способствуют процессу роста содержания аэрозольных частиц кислоты в атмо­сфере. Учитывая большое значение наземной биоты как резервуара для дву­окиси углерода, следует иметь в виду, что повреждение лесных экосистем в результате выпадения кислотных дождей фактически подвергает опасности данный важный естественный резервуар в углеродном цикле. Этот фактор может увеличить содержание двуокиси углерода в атмосфере.

Температура океана. Общий поток двуокиси углерода между атмосфе­рой и водной поверхностью океанов управляется разностью парциального давления СОг по обе стороны морской поверхности. Когда температура мор­ской воды растет, растворимость СОг уменьшается, а парциальное давление СОг ^на водной поверхности океана увеличивается. При этом уменьшается поглощение СОг морской водой, т.е. возникает положительная обратная связь.

Считается, что примерно четверть суммарной величины СОг потребля­ется наземной биотой (посредством фотосинтеза) и четверть поглощается в океане, участвуя как в химических (диффузии), так и в биологических про­цессах (фотосинтезе, осуществляемом фитопланктоном). Следовательно, этот важный резервуар главного парникового газа при увеличении температуры морской поверхности будет уменьшаться.

Как будет увеличиваться содержание СОг в атмосфере в будущем? Счи­тают, что рост СОг составит 5% [19], но в этом вопросе остается значительная неопределенность. Решение этих неопределенностей имеет колоссальное зна­чение: океаны являются гигантским резервуаром для СО2, поскольку они со­держат СС> 2 в 50 раз больше, чем атмосфера, и в 20 раз меньше, чем биосфе­ра. По выражению Таро Такахаши, «уникальной особенностью океанов явля­ется большая масса воды, на глубине сильно перенасыщенная СОг (т.е. не способная поглотить СОг больше, чем в ней уже содержится), с тонким сло­ем теплой и менее плотной воды, который препятствует быстрому переносу двуокиси углерода из глубинного водного резервуара в атмосферу*.

Циркуляция СО2 ^B Мировом океане. Кроме температуры и раствори­мости СОг в морской воде, способность океана удерживать СОг регулирует­ся еще двумя факторами. Первый — существование «биологического насо­са», посредством которого СОг переносится с поверхности воды на боль­шую глубину в потоке органических остатков, включающем в себя мертвые микроорганизмы, продукты жизнедеятельности организмов и т.п. Второй — скорость и характер циркуляции воды в океане.

Циркуляция водных масс в океанах сложна и управляется климатичес­кой системой. Следовательно, когда изменяется климат, соответственно из­меняется и циркуляция в океанах. Когда температура морской поверхности растет, термоклин (слой воды, находящийся непосредственно под постоян­но перемешивающимся слоем) может стать более стабильным и стойким по отношению к вертикальному перемешиванию. Поглощение СОг зависит от этого перемешивания, поскольку продуктивность фитопланктона ограниче­на притоком более глубокой воды, богатой питательными веществами. По заключению ученых IPCC, результирующий эффект заключается в том, что поглощение антропогенного СОг должно замедлиться. Эта возможная об­ратная связь известна как «планктонный усилитель».

При работе с моделями климата такие изменения очень трудно, практи­чески невозможно, определить количественно, но геологические данные го­ворят о потеплении, которое может быть внезапным и резким. Так, изуче­ние состава пузырьков воздуха, заключенных во льдах Гренландии, показы­вает, что во время перехода от последнего ледникового периода к современ­ному межледниковому, более 10 тыс. лет назад, очень заметные изменения концентрации атмосферного СОг (порядка 50 ррт, или 20% от общего со­держания СОг ^в воздухе), вероятно, произошли быстрее, чем за столетие, параллельно с региональными температурными изменениями порядка 5°С, что, по-видимому, было вызвано изменениями широкомасштабных тече­ний в североатлантическом регионе.

Ветер и скорость газообмена в океане. Перенос газа между морской поверхностью и атмосферой, и наоборот, прежде всего зависит от турбулен­тности поверхностного слоя океана и, следовательно, от скорости ветра над ним. При глобальном потеплении изменение климата обязательно будет включать в себя изменение характера ветра. При большей скорости ветра скорость перемещения двуокиси углерода будет большей. При определении результирующего поглощения двуокиси углерода в Мировом океане верти­кальное перемешивание является более важным, чем газообмен, так что данная обратная связь, вероятно, незначительна.

Накопление двуокиси углерода. Повышение содержания СОг в атмос­фере вызывает увеличение скоростей фотосинтеза и роста большинства рас­тений. Так, удвоение концентрации двуокиси углерода приведет к увеличе­нию глобальной биомассы более, чем на 15%.

Измеренное накопление углерода в сегодняшней атмосфере составляет около 2 Ггт. Сжигание ископаемого топлива вызывает выделение 5, 7 Ггт углерода. Подсчитано, что биота северного полушария может ежегодно по­глотить от 2 до 3 Ггт углерода. Другими словами, значительная часть всей двуокиси углерода, выделяемой в результате сжигания ископаемого топли­ва и вырубки лесов, в настоящее время поглощается в лесах северного полу­шария. Только около 1, 6 Ггт углерода ежегодно попадает в океанские резер­вуары.

В последнее время был установлен факт значительной (на несколько порядков) недостаточности биологических механизмов изъятия СОг из ат­мосферы по отношению к его техногенному выбросу. Действительно, об­щая продукция органических веществ в результате процессов фотосинтеза (в пересчете на углерод) составляет около 43 млрд т/год, что выше уровня техногенного выброса СОг в атмосферу (1, 8 млрд т/год). Однако большая часть связанного углерода, благодаря процессам дыхания, гниения, пожа­рам и т.д., снова возвращается в атмосферу в виде Ср2. Разница между биогенным связыванием (фотосинтезом) СОг ^и выделением связанного в результате фотосинтеза СОг (дыхание, пожары и т.д.) невелика и составля­ет всего 45 млн т/год, что почти в 50 раз меньше уровня техногенного выб­роса СОг в атмосферу.

Кроме того, вопреки достаточно распространенному мнению, что «лес — легкие планеты», оказалось, что биоценозы лесов играют гораздо меньшую роль в долговременном связывании СОг, поскольку практически весь свя­занный благодаря фотосинтезу углерод возвращается в атмосферу в виде СОг вследствие процессов дыхания, гниения опадающих листьев и древеси­ны, а также лесных пожаров. Для долговременного извлечения СОг из ат­мосферы необходимо, чтобы значительная часть связанного в результата процессов фотосинтеза углерода оказывалась недоступна для процессов окис­ления. Такие условия существуют только в биоценозах болот и тропических морей (рис. 3.12) и отчасти в лесах высоких широт (Россия)

Так, в биоценозе болота отмирающая растительность попадает в сто­ячую воду с крайне низким содержанием растворенного кислорода и накап­ливается там, практически не разлагаясь (частичное анаэробное разложение с образованием метана не изменяет общего процесса). Накапливающиеся в болотах частично разложившиеся остатки растительности образуют торфя­ные пласты. В настоящее время общая площадь болот на Земле сократилась почти в 2 раза и продолжает сокращаться в результате их техногенного осу­шения. Соответственно уменьшилось и количество извлекаемого из атмос­феры СОг-

В биоценозах тропических морей изъятие СОг из океанической воды, куда он попадает из атмосферы, происходит несколько иным образом. Уг­лекислый газ используется в качестве «строительного материала» при обра­зовании известковых раковин и чехлов. Практически все карбонаты земной юры (известняки, доломиты, мрамор, мел и т.д.) имеют биогенное проис­хождение. Среди наиболее важных климатообразующих видов отметим ко­ралловые полипы и фораминиферовый планктон (всего — около 80 видов).

Влажность почвы. Изменения содержания воды в почве могут повли­ять на накопление и сохранение углерода в наземной биоте. Так, увеличение влажности приводит к возрастанию накопления углерода в тропосфере и способствует росту растений в ранее сухих зонах. Однако обратное утверж­дение также верно, а так как модели сильно расходятся в своих предсказани­ях изменений величин влажности почвы, то в настоящее время невозможно достоверно предсказать как географическое распределение изменений в поч­венных водах, так и влияние этих изменений на потоки углерода, и его на­копление в разных экосистемах.

Распределение растительности. Резервуары двуокиси углерода. Биомасса лесов существенно зависит от скорости изменения температуры. Если леса смогут мигрировать и адаптироваться, тогда данный резервуар останется прежним. Если же темпы изменения температуры будут слишком быстры­ми для успешной миграции и (или) препятствия, создаваемые урбанизацией и хозяйственной деятельностью, окажутся непреодолимыми, то леса пост­радают, и резервуар сократится.

Исходя из того, что растительность ответственна за рост температуры на 5°С в конце ледникового периода, можно прогнозировать, что даже при самых благоприятных темпах изменений леса пострадают. Кроме того, гло­бальное потепление будет способствовать увеличению скорости поврежде­ния лесов (пожары, штормы и наводнения), способной существенно изме­нять объем общей биомассы, и, следовательно, результирующей реакцией лесов на потепление будет сокращение резервуара углерода.

Альбедо. Изменения в наземной биоте будут также влиять на общее аль­бедо планеты. Это, возможно, наиболее значительная обратная связь, со­здаваемая наземной биосферой. Самый важный процесс — уменьшение аль­бедо (положительная обратная связь) в результате смещения к полюсу се­верной границы лесотундры. Это обстоятельство могло значительно уси­лить изменение температуры в конце последнего ледникового периода.

Ультрафиолетовое излучение. Влияние на фитопланктон. Величина ин­тенсивности ультрафиолетового излучения, поступающего на земную по­верхность, зависит от количества стратосферного озона. Из-за уменьшения продуктивности морей это может оказывать негативное влияние на мор­скую биоту и тем самым на биологический «углеродный насос». Это приве­дет к увеличению концентрации двуокиси углерода на водной поверхности и, следовательно, в атмосфере.

Влияние на наземную биоту. Аналогичные соображения применимы и к возрастающему облучению ультрафиолетом наземной биоты. В связи с этим рассматриваемая ситуация может затронуть стабильность биосферного ре­зервуара двуокиси углерода на всей суше. Следует отметить, что монреаль­ский протокол, задуманный для ограничения производства фреонов, являю­щихся причиной большинства «озоновых дыр» в стратосфере, не принесет заметного смягчения остроты этой проблемы. Это объясняется большим временем существования главных «озоновых дыр» и тем фактом, что упо­мянутый протокол в откорректированном виде разрешает производство в течение ближайших 10 лет таких веществ и их заменителей, которые также истощают стратосферный озон.