Игорь Кароль - Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?
Для иллюстрации сказанного сравним предсказуемость климата с изменением состояния финансов некоего бизнесмена в течение ближайших трех месяцев. Размер его банковского счета через три месяца будет определяться суммой, находившейся на его счете сегодня, т. е. в начальный момент времени (аналог предсказуемости I рода), а также доходами и расходами в эти три месяца, как плановыми, так и, возможно, неожиданными. Произвести калькуляцию плановых операций, как правило, не трудно, хуже, когда возникают незапланированные («внешние») обстоятельства (аналог предсказуемости II рода). Последствия таких внешних обстоятельств могут быть как незначительными и кратковременными, так и существенными, приводящими к банкротству.
При реальном прогнозировании изменений климата мы всегда знаем лишь его приближенное начальное состояние, а о многих будущих внешних воздействиях нам ничего не известно. Например, невозможно предвидеть где, когда и какой силы будут извержения вулканов в 2020 г. Здесь мы подходим ко второму важному аспекту: прогноз представляет собой оценку изменений климата под действием «неслучайных» процессов («калькуляцию плановых операций» в вышеприведенном примере). Однако случайные процессы могут весьма заметно исказить эту оценку! И тут на помощь приходит математическая статистика. В частности, продолжая пример с вулканическими извержениями, отметим наличие баз данных, содержащих информацию об их ежегодном количестве, месте, размере и химическом составе вулканических выбросов, а также оценки воздействия этих выбросов на климат, в первую очередь на температуру воздуха. Тогда предположив, что вулканическая активность в 2020 г. будет близка к средней за последние десятилетия, мы можем внести коррективы в оценку будущего изменения климата. Однако в реалиях вулканическая активность 2020 г., вероятно, окажется несколько отличной от такой средней величины.
А потому любой климатический прогноз представляет собой оценку наиболее вероятного изменения климата. Чтобы дать представление о менее вероятных, но вполне возможных отклонениях от такой оценки, одновременно указываются пределы погрешностей климатического прогноза.
Разумеется, рано бить в литавры – вероятность ошибочности климатического прогноза достаточно велика. Во-первых, человеку, как известно, свойственно ошибаться. Он может недооценить или переоценить масштабы какого-либо явления или его интенсивность или банально «потерять» нолик в расчетах. Во-вторых, еще замечательный французский математик Пьер Лаплас однажды сказал: «То, что мы знаем, – ограничено, а то, чего не знаем, – бесконечно». Поэтому незнание каких-то законов природы на современном этапе развития науки может временно привести нас к неверным умозаключениям. При всем при этом необходимо понимать, что успешное прогнозирование изменений климата имеет исключительную важность, так как с оглядкой на предполагаемое его состояние уже сегодня принимаются многие хозяйственные и политические решения.
Итак, надеемся, вы почувствовали разницу между понятиями «погода» и «климат». Оставим заботы о состоянии погоды Гидрометцентру и продолжим наш рассказ о климате.
Глава вторая
Система, без которой нам не жить
Природа во всем действует постепенно, и больше тайно, чем открыто. Отношения и влияния здесь глубже и проще, чем кажутся при своем разнообразии, простираются удивительно далеко и чреваты последствиями.
К. РиттерКлиматическая система земли
По состоянию какой части природной среды люди судят о климате? Попробуйте с таким вопросом обратиться к случайному (расположенному к диалогу) прохожему. Почти наверняка его ответ будет кратким и безапелляционным: «Конечно, атмосферы!» Аргументы? – «Они очевидны. Температура, влажность, давление какой субстанции характеризуют климат? Атмосферного воздуха. Ветер – результат движения атмосферных воздушных масс. Ареал носителей осадков – облаков – снова атмосфера!» А температура воды в ближайшем водоеме, например в озере? – «Что ж, в купальный сезон это тоже немаловажно: озеро – не бассейн с подогревом, вода в нем нагревается опять же через атмосферу…». Если подходить с позиций обывателя (в изначальном, не уничижительном смысле этого слова), так оно и есть. Он, обыватель, имеет полное право не вникать в «климатологическую кухню», а пользоваться информацией, «приготовленной» специалистами. Но наш-то с вами путь лежит прямо на эту самую «кухню».
Достаточно очевидно, что климат тесно связан с особенностями границы атмосферы и поверхности Земли – подстилающей поверхности (суши с различными видами растительности и рельефа, океанами, морями и реками). Будет климат «сырым» или «сухим» зависит от близости водоемов или пустынь, свою специфику имеет горный климат и т. д. Климат – продукт целой системы. Природную среду, в которой мы живем и в которой формируется климат нашей планеты, обычно называют климатической системой Земли.
Климатическая система включает в себя не только атмосферу, но и гидросферу (все океаны, моря, озера, реки), и литосферу (сушу), и криосферу (снег, морской и горный лед, а также лед, содержащийся в материковых щитах Гренландии, Антарктиды и полярных островов, и, кроме того, «вечную мерзлоту», захватывающую, представьте, 2/3 российской территории), и, наконец, биосферу, объединяющую все виды живого. Все эти составляющие климатической системы находятся в тесной связи друг с другом, обмениваясь энергией и массой.
Классическим примером такого обмена служит круговорот воды в природе. Благодаря способности к фазовым переходам, вода присутствует в климатической системе в разных ипостасях. Водяной пар и мельчайшие облачные частицы являются «полномочными представителями» воды в атмосфере, снег и лед выполняют ту же роль в криосфере, гидросфера по самой своей сути – царство воды, даже тела многих живых организмов в значительной степени (человека – на 70–80 %) состоят из воды. Каждый фазовый переход сопровождается потреблением или выделением тепла (энергии); при этом общая масса воды во всей системе сохраняется, но происходит перераспределение масс в ее составляющих (рис. 5 и рис. 1 цветной вклейки).
Рис. 5. Составляющие климатической системы Земли и их взаимосвязи
Составляющие климатической системы существенно различаются по массе: масса атмосферы, оцениваемая примерно в 5,3·1015 т, меньше в 5 раз массы слоя грунта толщиной 10 м, в 15 раз уступает массе поверхностного слоя океана толщиной 240 м. Еще разительнее соотношение их суммарных теплоемкостей – 1(атмосфера): 11(грунт): 70(океан). Теплоемкость, как известно, есть мера тепловой инерции вещества. Каждому из нас случалось наблюдать, как летним вечером после захода Солнца раскаленный воздух довольно быстро становится прохладным, в то время как вода в небольшом водоеме вплоть до следующего восхода остается почти такой же теплой. Сказывается то обстоятельство, что вода сохраняет тепло в 4–5 раз эффективнее, чем воздух, т. е. обладает большей, чем воздух, теплоемкостью. Поэтому нет оснований удивляться тому, что 240-метровый поверхностный слой океана, превосходя в 15 раз по массе атмосферу, приблизительно в 70 раз лучше сохраняет тепло. Грунт также обладает большей теплоемкостью, чем воздух, хотя здесь разница заметно меньше.
Выбор 10-метрового слоя грунта и 240-метрового слоя океана не случаен – именно такие слои участвуют в сезонном энергообмене (летний нагрев и зимнее их охлаждение) с атмосферой.
Самые «тяжелые» сегменты климатической системы – глубинный океан с массой в 240 масс атмосферы и теплоемкостью, превышающей атмосферную в тысячу раз, и материковые льды, которые в 5,4 раза тяжелее атмосферы и обладают теплоемкостью в 11 раз выше атмосферной.
Прямым следствием сказанного является то, что океаны, моря и материковые льды образуют медленно меняющиеся составляющие климатической системы, а атмосфера, поверхность суши и морские льды с относительно малой массой и низкой теплоемкостью находятся в ряду быстро меняющихся сегментов системы. Характеристикой таких изменений служит так называемое время релаксации, т. е. время перехода и установления нового климатического режима при изменении внешних условий. Меньше всего оно у атмосферы – недели и месяцы, а также у поверхностного слоя океана – годы и десятилетия. У материковых льдов из-за больших затрат тепла на таяние время релаксации составляет тысячелетия, но в настоящий период потепления климата наблюдается заметное ускорение этого процесса в ледниках Гренландии и отчасти Антарктиды, что чревато сокращением времени релаксации (исчезновения) до нескольких столетий.
