Евгений Борисенков - Климат и деятельность человека
Равновесие наступает в результате перекачки антропогенного C в океан и биосферу к концу XXIII в. При этом CO2 увеличится в океане и во всех биосферных резервуарах (в рассматриваемой модели имелось 14 резервуаров, из них 8 биосферных). Основным поглотителем CO2 является все же океан. При этом между 2060 и 2260 г. в глубинном океане CO2 накапливается постоянно. Максимальная концентрация в глубинном океане и деятельном его слое достигает 41 021—42 456 Гт (в начальный период 38 420 Гт) в зависимости от β, т. е. от той доли антропогенного CO2, которую берет на себя биосфера.
К 2000 г. масса C в атмосфере достигнет 798,1—892,2 Гт в зависимости от параметров модели. Увеличение по сравнению с 1960 г. составляет 21—30%, что, возможно, несколько завышено, поскольку на 1975 г. при некоторых параметрах модель дает завышенные значения CO2 в атмосфере. Тем не менее к концу XX в. увеличение CO2 в атмосфере на 20—25%, по-видимому, реально. Двойная концентрация CO2 по данным этих экспериментов может быть достигнута в середине XXI в. или позже в зависимости от темпов антропогенного поступления CO2.
Время достижения максимальной (от четырех- до семи-восьмикратной) концентрации при разных параметрах модели колеблется для атмосферы между 2135 и 2195 г., для глубинного океана — между 2285 и 2345 г., а для деятельного слоя океана — между 2155 и 2170 г.
Приведенные оценки относятся к числу наиболее реалистичных. Однако рассматривая влияние антропогенного роста CO2 на климат, обратим внимание на дву-, трехкратное увеличение CO2. Дело в том, что для биосферы и человека многократное увеличение CO2 не представляет никакой опасности, а во многих отношениях, главным образом с точки зрения ускорения роста растений, оно даже выгодно. По существующим оценкам двукратное увеличение антропогенного CO2 может вызвать рост деревьев в течение следующих 200 лет.
Полосы поглощения углекислым газом тепловой радиации обладают пределом возможного поглощения. В связи с этим тепличный эффект (подъем температуры в нижней тропосфере) по мере роста концентрации CO2 после его двукратного увеличения замедляется и при возрастании концентрации более чем в 2—3 раза тепличный эффект проявляет себя примерно так же, как и при дву-, трехкратном увеличении CO2. Поэтому влияние роста CO2 обычно оценивают при дву-, трехкратном увеличении его в атмосфере, т. е. к середине или к концу следующего столетия (по мнению некоторых специалистов, для начала следующего столетия эта оценка явно завышена).
На рис. 22 приведены результаты численных экспериментов, выполненных в США. Как видим, рост концентрации CO2 более чем в 2 раза меняет результаты, при четырехкратном увеличении эффект заметен, но далее он ослабевает.
Практически все численные эксперименты указывают на рост температуры в нижней тропосфере и охлаждение атмосферы в верхней тропосфере и стратосфере. Вследствие этого увеличиваются вертикальный температурный градиент, неустойчивость атмосферы, конвективные движения, облачность и осадки. В результате возникающей здесь обратной связи (увеличение альбедо и отраженной радиации) роль тепличного эффекта уменьшается. Подъем температуры в полярных районах может достигать 8—10° С (в средних и низких широтах 1—2° С).
По оценкам различных моделей средняя для полушария величина повышения температуры за счет тепличного эффекта от 0,7—0,8 до 9,6° С у поверхности. Наиболее реальны, по-видимому, оценки тепличного эффекта в среднем для полушария у поверхности в 2—2,5° С при двукратном увеличении CO2.
Однако некоторые исследователи показали, что чистое увеличение температуры при удвоении концентрации CO2 составляет всего 0,25° С. Остальной же рост температуры обязан побочному тепличному эффекту, связанному с повышением испарения и увеличением содержания в атмосфере водяного пара, который обладает сам тепличным эффектом.
Какие же последствия могут быть вызваны увеличением CO2? Прежде всего — это возможное изменение режима осадков и испарения, потепление климата, наиболее сильное в высоких широтах, отступление снеговой линии, таяние ледников, нестабильность ледяного покрова, нарушение циркуляции атмосферы и океана, частые засухи.
На ряде отраслей народного хозяйства многие из этих изменений не обязательно скажутся отрицательно, для лесов и сельского хозяйства, наоборот, вероятен даже положительный эффект. Однако при потеплении климата и океана может увеличиваться поток CO2 в атмосферу. В этом случае может усилиться тепличный эффект, растаят континентальные льды, повысится уровень океана, будут затоплены прибрежные районы и др. Так, Болин считает, что при потеплении климата уровень океана начнет повышаться на 1 мм в год (за 100 лет на 10 см). По данным Гриббина, повышение уровня океана вследствие таяния льда в Антарктике составит 5 м за 300 лет. Эти оценки слишком приближенные. Тем не менее в любом случае, если научные исследования подтвердят вероятность того, что воздействие на биосферу и сжигание ископаемого топлива представят серьезную угрозу окружающей среде и климату, перед человечеством возникнет ряд серьезных проблем. Главная из них — замена ископаемого топлива альтернативными энергетическими источниками. Среди них основное место будут занимать ядерная, солнечная и ветровая энергия, энергия океана, геотермальное тепло. Большинство из этих источников энергии зависит от климата.
Рис. 22. Результаты модельных расчетов по изменению температуры в атмосфере при двукратном (а) и четырехкратном (б) увеличении CO2 в атмосфере
Имеются, однако, основания предполагать, что проблема CO2 при всей ее важности может оказаться и преувеличенной, а скорее всего даже не единственной при рассмотрении тепличного эффекта. Действительно, за 100 лет, с 1860 по 1960 г., количество CO2 в атмосфере возросло на 12—13%, но климат за это время не потеплел, а в последние десятилетия даже похолодал.
Помимо CO2 и другие малые примеси, например фреоны (хладоны), обладают тепличным эффектом. Фреоны — одна из разновидностей фторхлоруглеродных соединений. Они поступают в атмосферу вследствие их применения в разного рода промышленных и бытовых установках (рефрижераторы, холодильники, системы кондиционирования воздуха и др.) и при производстве товаров широкого потребления (аэрозольные упаковки — распылители парфюмерных и косметических товаров, инсектицидных препаратов, лаков, красок и т. п.).
В настоящее время около 85—87% общего производства фреонов попадает в атмосферу. Поскольку время жизни Ф-11 и Ф-12 соответственно 50 и 70 лет, они накапливаются в атмосфере, и в этом их главная опасность. По имеющимся оценкам в атмосферу с 1958 по 1975 г. выброшено около 2,9·106 т Ф-11 и 4,4·106 т Ф-12. При этом доля США составила соответственно 42 и 50%, а доля СССР всего 13 и 4,8%.
Фреоны оказывают двоякое действие на атмосферу. С одной стороны, они разрушают озонный слой и вызывают вследствие этого неблагоприятные биологические эффекты, с другой — подобно CO2 и некоторым другим малым примесям) (например, N2O, СН4, CCl2F2, NH3, водяному пару и др.), обладают тепличным эффектом.
Таблица 12. Сравнение возможных изменений концентрации фреонов и CO2 в будущем и связанные с этим изменения температуры у поверхности для двух вариантов будущего роста фреонов
Год Концентрация фреонов в атмосфере при уровне производства на 1973 г. Концентрация фреонов при росте производства 10% в год Оценка эффекта CO2, основанная на модели Манабе Концентрация, ppm Изменение t у поверхности, °С Концентрация, ppm Изменение t у поверхности, °С Предполагаемая концентрация CO2, ppm Изменение t у поверхности, °С Ф-11 Ф-12 Ф-11 Ф-12 1975 0,09 0,21 0,06 0,09 0,21 0,06 330 0,00 1980 0,15 0,29 0,09 0,17 0,32 0,09 340 0,10 1990 0,25 0,44 0,10 0,50 0,80 0,30 360 0,30 2000 0,32 0,58 0,20 1,40 2,1 0,70 390 0,50Интенсивность полос поглощения инфракрасной радиации Ф-11 почти в 5 раз, а Ф-12 почти в 4 раз больше, чем интенсивность поглощения инфракрасной радиации группой полос CO2. Только из-за малой концентрации фреонов по сравнению с CO2 их эффект пока незаметен. На 1975 г. концентрация Ф-11 и Ф-12 в атмосфере составила соответственно 0,09 и 0,21 ppb (ppb — единица измерения, которая в 1000 раз меньше ppm). Расчеты показывают, что, если рост производства этих фреонов будет составлять соответственно 10 и 5% в год, через 100 лет их концентрация увеличится в 25441 и 310 раз. Если даже выпуск фреонов в атмосферу будет соответствовать нынешнему уровню, через 100 лет количество их в атмосфере возрастет в 120 раз. При сокращении выброса фреонов на 5% в год концентрация их через 100 лет увеличится всего в 2,2 раза.
