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 тропосферы включает 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.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Обратные связи и неопределенность в прогнозировании климата» з дисципліни «Основи природокористування: екологічні, економічні та правові аспекти»
