Нарушение теплового баланса и возможное изменение климата Земли

Тепловой баланс Земли, алгебраическая сумма тепла, получаемого Землей в целом (вместе с атмосферой) от внешних источников и отдаваемого через атмосферу в космическое пространство. За длительное время тепловой баланс системы земля-атмосфера равен нулю, т.е. Земля как планета находится в тепловом равновесии. Однако наблюдающийся в последнее время парниковый эффект служит предупреждением о вероятном изменении теплового баланса Земли в результате глобального теплового загрязнения атмосферы.

Основной приток энергии к Земле обеспечивается солнечным излучением и составляет около 341 Вт/м² в среднем по всей поверхности планеты. Внутренние источники тепла (радиоактивный распад, стратификация по плотности) по сравнению с этой цифрой незначительны (около 0,08 Вт/м²) [2].

Из 341 Вт/м² солнечного излучения, попадающего на Землю, примерно 30% (102 Вт/м²) сразу же отражается от поверхности Земли (23 Вт/м²) и облаков (79 Вт/м²), а 239 Вт/м² в сумме поглощается: атмосферой (78 Вт/м²) и поверхностью Земли (161 Вт/м²) [1] (Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, and Jeffrey Kiehl, March 2009: Earth’s global energy budget. – Bulletin of the American Meteorological Society, 90, 311–323.). Поглощение в атмосфере обусловлено, в основном, облаками и аэрозолями [2].

Из 161 Вт/м² поглощаемой поверхностью Земли энергии 40 Вт/м² возвращается в космическое пространство в виде теплового излучения диапазона 3–45 мкм, ещё 97 Вт/м² передаются атмосфере за счёт различных тепловых процессов (80 Вт/м² – испарение воды, 17 Вт/м² – конвективный теплообмен). Кроме того, около 356 Вт/м² излучения Земли поглощается атмосферой из которых 333 Вт/м² возвращается в виде обратного излучения атмосферы. Таким образом, полное тепловое излучение поверхности Земли составляет 396 Вт/м² (356+40), что соответствует средней тепловой температуре 288 К (15 °С) [1][2].

Атмосфера излучает в космическое пространство 199 Вт/м², включая 78 Вт/м², полученные от излучения Солнца, 97 Вт/м², полученные от поверхности Земли, и разность между поглощаемым атмосферой излучением поверхности и обратным излучением атмосферы в объёме 23 Вт/м² ^[1].

Основные причины возможных антропогенных изменения климата:

- насыщение атмосферы техногенными выбросами (изменение физических свойств атмосферы: плотности, теплопроводности, циркуляции);

- рассеяние тепла при сжигании топлива (подогрев атмосферы);

- изменение человеком альбедо земной поверхности (количество отраженного света).

Парниковый (тепличный, оранжерейный) эффект – свойство атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности, способствуя аккумуляции тепла планетой. Парниковому эффекту способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (диоксида углерода, пыли, метана, фреонов и т.д.).

За последнее столетие масса углекислого газа в атмосфере возросла на 10-15%. При удвоении массы СО₂ средняя температура нижнего слоя атмосферы Земли может повыситься на 2-4 градуса, а по другим расчетам может повысить планетарную температуру лишь на 0,04% – т.к. после насыщения СО₂ в атмосфере возникает тепловое излучение Земли не только в инфракрасном, но и в других областях спектра за счет сильно возбужденных молекул. При этом за первые 40 лет 20-го в. средняя планетарная температура повысилась всего на 0,5 грд., а за 60-80 гг понизилась на 0,3 грд. (запыленность?).

Углекислый газ в атмосфере Земли, по состоянию на 2011 год, представлен в количестве 392 ppm или 0,0392 % [1] (Tans, Pieter. Trends in Carbon Dioxide. NOAA/ESRL.). Впервые антропогенное влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп её роста увеличивался и в конце 2000-х годов происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO₂ в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет. [3][4] (Deep ice tells long climate story, BBC News , http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/5314592.stm ; Climate Change 2001: The Scientific Basis, http://www.grida.no/publications/other/ipcc_tar/?src=/climate/ipcc_tar/wg1/fig3-2.htm).

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов двуокиси углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO₂. В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами [19].

Отрицательные для человечества последствия парникового эффекта – повышение уровня Мирового океана в результате таяния материковых и морских льдов, теплового расширения океана и т.п. и, как следствие, затопление приморских равнин, усиление абразионных процессов, ухудшение водоснабжения приморских городов, деградация мангровой растительности и т.п. Увеличение сезонного протаивания грунтов в районах с вечной мерзлотой создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям, активизирует процессы заболачивания, термокарста и т.д.

Положительные для человечества последствия парникового эффекта – улучшение состояния лесных экосистем и сельского хозяйства. Повышение температуры приведет к увеличению испарения с поверхности океана, а это вызовет возрастание влажности климата, что особенно важно для аридных (сухих) зон; повышение концентрации углекислого газа увеличит интенсивность фотосинтеза, а значит продуктивность диких и культурных растений.

Обнаружение среднеглобального энергетического «разбаланса» имеет концептуальное значение, поскольку подобный «разбаланс» служит индикатором нарушения глобального экологического равновесия. Понятно, что при отсутствии антропогенных воздействий должна иметь место сбалансированность усредненных за большие промежутки времени значений прихода (поглощенная солнечная радиация) и расхода (длинноволновая уходящая радиация) энергии. Нарушение энергетического (теплового) баланса планеты отображает начало опасного процесса потери экологического равновесия в глобальных масштабах. Другим индикатором подобной потери является нарушение замкнутости глобальных биогеохимических круговоротов.

Наблюдавшееся в период 1880-2003 гг. повышение среднеглобальной приземной температуры воздуха составило 0.6-0.7°С.

Запыленность атмосферы – рост городов, промышленности, транспорта, распашка земель и вырубка лесов, наступление пустынь. Кроме того вулканическая деятельность. В среднем, от всех источников образуется 2 млрд. т. пыли в год с возможным отклонением плюс-минус 1 млрд т. в год. Антропогенная пыль составляет порядка 15% от всей пыли атмосферы (по некоторым оценкам от 5 до 50%), основные источники в зоне между 30 и 60 параллелями северного полушария.

Запыленность может действовать двояко: с одной стороны запыленность атмосферы может сдерживать отдачу тепла Землей (увеличивая парниковый эффект), с другой, уменьшая альбедо (особенно на ледниковых частях) может увеличивать нагреваемость.

Есть мнение, что до определенного уровня запыленность может повышать температуру (альбедо и таяние ледников), затем экранирующий эффект, ослабляющий солнечную радиацию – похолодание (модель "ядерной зимы").

По исследованиям некоторых ученых, с 50 по 80 е года запыленность возросла в 30 раз, а температура из-за этого снизилась на 0,3 грд. Если учесть, что увеличение концентрации аэрозолей снизило прямую радиацию в северном полушарии на примерно 6%, а суммарную радиацию при средних глобальных условиях при облачности 0,5 – на 0,5%, это могло привести к снижению средней температуры у земной поверхности на 0,75 грд. По исследованиям ученых, ледово-снеговая шапка в приполярной зоне Севера опустилась за 7 лет (с 1975 по 1982 гг.) к югу на площади более 4 млн. км².

Тепловое загрязнение. В настоящее время, человек выбрасывает в атмосферу количество тепла, равное 0,01% поглощаемой Землей солнечной радиации. Но есть тенденция к росту.

Предполагается, что к 2030 г. эта цифра составит около 1%.

Увеличение производства энергии на 4-10% в год может привести через 100-200 лет к тому, что количество создаваемого тепла будет сравнимо с радиационным балансом поверхности суши.

Над крупными городами уже висят тепловые подушки – на 1-2 градуса выше, чем в пригороде (а иногда и до 10град.). Это уже приводит к изменениям экосистем городов.

Вообще города – аванпост глобального потепления.

Альбедо

Причины изменения – увеличение площади зеркала поверхностных вод (сооружение искусственных водохранилищ), орошение земель, изменение растительного покрова планеты, загрязнение поверхности Мирового океана, полярные шапки. Для сравнения альбедо суши 0,26 а мирового океана 0,09, а площадь водохранилищ возросла до 700 000 км². Отсюда отеплительный эффект.

Сведение лесов и замена их с/х угодьями, осушение болот, приводит к уменьшению поглощенной солнечной радиации (степи, саванны и пустыни, с/х угодья имеют большую отражательную способность).

Изменение альбедо Земли потенциально является мощным воздействием на климат. Когда альбедо, или отражающая способность, возрастает, больше солнечного света отражается назад в космос. Это оказывает охлаждающее действие на глобальные температуры. Напротив, снижение альбедо нагревает планету. Изменение альбедо всего на 1% дает радиационный эффект 3,4 Вт/м², сопоставимый с эффектом удвоения СО₂.

Противоречивость полученных в результате наблюдений и рассчитанных с помощью моделей данных о соотношении радиационного баланса и альбедо подтверждается многочисленными публикациями по этой теме. Ряд данных обнаруживает уменьшение уходящей коротковолновой радиации примерно на 2 Вт/м² за период с марта 2000 г. по февраль 2004 г., что эквивалентно спаду альбедо Земли на -0.006. В тоже время существуют оценки, которые говорят о значительном возрастании уходящего коротковолнового излучения на 6 Вт/м² и, соответственно, о повышении альбедо на 0.17.

Обработка данных измерений суммарной радиации за период 1960-1990 гг. показала, что имел место отрицательный тренд суммарной радиации на поверхности суши, эквивалентный спаду суммарной радиации за 30 лет на 4-6%. Такой эффект получил название «потускнение» Земли. Однако начиная с 1990 г. возникла противоположная тенденция повсеместного «уярчения» Земли, что связывается со спадом аэрозольного загрязнения атмосферы за счет сокращения промышленных выбросов на территории бывшего СССР.