Что случилось с климатом

При изучении поведения различных веществ в природе геохимики часто используют понятие времени пребывания. Под временем пребывания некоего компонента в некоторой системе обычно понимают отношение общего количества компонента в системе к скорости его выведения, или, что то же самое – к скорости поступления, если условия можно считать стационарными. Для ясности приведем пример. На химическом факультете университета обучаются 1300 студентов. В этом году было выпущено 258 специалистов. Получаем время пребывания студента в университете 1300/258?5 лет. При этом кто-то мог учиться восемь лет, а кого-то отчислили в первую сессию. Этот расчет справедлив для стационарных условий. Если проводится реформа образования и срок обучения неожиданно увеличивается до 6 лет, или меняется план приема, он даст неверный результат.

Кроме обычного кислорода, состоящего из двухатомных молекул, в воздухе есть озон – модификация кислорода, состоящая из трехатомных молекул (O

). Его количество крайне невелико – до 0,1 ppm, но он имеет важнейшее значение для радиационного баланса планеты и стратификации атмосферы. Озоновым слоем называют слой стратосферы на высоте 15–30 км, содержащий наибольшее количество озона – до нескольких ppm. Если бы весь озон атмосферы можно было бы собрать в одном слое, то толщина его при нормальном давлении составила бы 3 мм. В реальности он, конечно, не образует отдельного слоя и смешан с другими газами.

В стратосфере озон образуется при воздействии ультрафиолетового излучения на двухатомные молекулы кислорода:

O

? 2O· (1)

O

+ O· ? O

(2)

Поглощая ультрафиолет в области спектра 200–300 нм, озон снова расщепляется на атом и молекулу кислорода:

O

? O

+ O· (3)

Атом кислорода, образовавшийся в реакции (3), снова взаимодействует с молекулой O

по реакции (2). Тем самым баланс озона восстанавливается, а энергия ультрафиолета превращается в кинетическую энергию молекул газа, то есть в тепло.

Распадается озон в результате взаимодействия с атомарным кислородом:

O

+ O· ? 2O

(4)

Озон разрушают оксиды азота, а также соединения галогенов, в частности фреоны. Распад озона под действием фреона можно описать так:

CF

Cl ? CF

· + Cl· (5)

Cl· + O

? ClO· + O

(6)

ClO· + O

? Cl· + 2O

(7)

Содержание озона в стратосфере меняется в зависимости от широты и сезона. Локальное снижение концентрации озона называют озоновой дырой. Считается, что ее появление связано с антропогенными загрязнителями, разрушающими озон, в частности, с фреонами (реакции 5–7). Самая большая из озоновых дыр расположена в высоких широтах в Южном полушарии.

Именно поглощение озоном ультрафиолета приводит к появлению максимума температуры на высотах около 50 км. Вертикальное распределение температуры в атмосфере позволяет выделить в ней несколько слоев – тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (рис. 1.5). Границу раздела тропосферы и стратосферы называют тропопаузой. Большая часть процессов, определяющих погоду на поверхности Земли, происходит в тропосфере, где сосредоточено 80 % всей массы атмосферы. Именно тропосфера является областью турбулентного перемешивания, и в ней происходит перенос тепла из тропических широт в полярные. В тропосфере температура с высотой быстро снижается, примерно на 6,5 °C на 1 км. Это происходит потому, что с высотой давление падает.

В стратосфере температура с высотой, наоборот, увеличивается. Поэтому грозовые облака, достигающие верхней границы тропосферы, преодолеть тропопаузу не могут и начинают расти в ширину, приобретая характерную форму наковальни. Нагрев стратосферы обусловлен поглощением озоном в ультрафиолетовой области; в термосфере температура снова растет, но уже из-за других процессов: в основном из-за поглощения экстремального ультрафиолета (Extreme Ultraviolet – XUV) и рентгеновского излучения. Эти виды излучения обладают достаточно высокой энергией для того, чтобы вызвать фотодиссоциацию (расщепление молекул на атомы) и фотоионизацию (выбивание электронов) основных компонентов воздуха.

Рис. 1.5. Типичная стратификация атмосферы в средних широтах. От земной поверхности и до тропопаузы с высотой, как правило, становится холоднее. В стратосфере, напротив, температура с высотой растет

1.4. Климатическая система

Когда мы говорим о климате, мы подразумеваем в первую очередь состояние атмосферы, точнее, ее нижнего слоя – тропосферы. Это неудивительно, поскольку воздух и есть наша среда обитания, а поверхности Земли мы касаемся лишь подошвами ног. Атмосфера постоянно обменивается энергией и веществом с гидросферой, сушей, криосферой и биосферой (рис. 1.6). Вместе они образуют климатическую систему. Атмосфера является самой динамичной составляющей климатической системы, поскольку обладает относительно небольшой массой и низкой теплоемкостью. Поэтому она реагирует на внешние изменения быстро – от нескольких часов до недель.

Изменения в океане происходят гораздо медленнее, чем в атмосфере. Это вполне объяснимо: его масса примерно в 250 раз больше, а теплоемкость воды в 4 раза больше теплоемкости воздуха. Время реакции поверхностного слоя океана на внешние воздействия составляет от нескольких дней до месяцев, изменения в глубинных водах требуют сотен лет. Океан хранит огромный запас тепла и служит своего рода буфером, смягчающим сезонные изменения температуры воздуха.

Рис. 1.6. Схематическое изображение климатической системы

Рис. 1.7. Вертикальное распределение температуры в океане (Knauss, Garfield, 2016). В высоких широтах термоклин не выражен

Океан, в отличие от атмосферы, греется с поверхности. Большая часть солнечного тепла поглощается несколькими сантиметрами воды. Волны и ветер перемешивают верхний слой воды примерно до сотни метров. В итоге на поверхности образуется более теплый слой с меньшей плотностью. Он накрывает океан своеобразной крышкой и затрудняет вертикальное перемешивание. Слой, разделяющий теплые поверхностные и глубинные холодные воды, называется термоклином. В нем с глубиной резко меняется температура воды (рис. 1.7). С температурой и соленостью связана плотность морской воды. Слой, в котором плотность резко меняется, называется пикноклином.

Кроме того, океан содержит колоссальные запасы растворенного углекислого газа. Поглощая CO

из атмосферы и выделяя его, океан также влияет на климат. Важнейшую роль в этом процессе играет биота океана, усваивающая углерод в процессе фотосинтеза.

Атмосфера и океан находятся в постоянном движении. Главная причина этого движения – различия в количестве энергии, получаемой Землей в районе экватора и в высоких широтах. Циркуляция атмосферы и океана играет роль отопительной системы, перенося тепло из низких широт к полюсам.

Суша греется и отдает тепло быстрее, чем океан, и запасает тепла гораздо меньше. Основная причина заключается в том, что в океане тепло быстро распределяется в пределах перемешанного слоя, в то время как суша прогревается вглубь на 1–2 м. Это приводит к разнице температуры воздуха над сушей и над океаном и влияет на циркуляцию атмосферы. Сезонные перепады температур в Северном полушарии выражены сильнее, чем в Южном, потому что площадь суши там значительно больше.

Облик нашей планеты – соотношение континентов и океанов, высота горных хребтов и их расположение, рельеф дна, глубина проливов – сильнейшим образом влияет на климат: на распределение тепла по поверхности планеты, циркуляцию вод океана, движение воздушных масс.

Суша, океан и биосфера могут воздействовать на климатическую систему через образование аэрозолей (рис. 1.8). Пузырьки воздуха, лопаясь на поверхности океана, образуют мельчайшие капельки воды. Когда вода испаряется, в воздухе остаются частички соли. Другие источники аэрозолей – пылевые бури, лесные пожары и вулканы, а также транспорт и промышленность. Они влияют на радиационный баланс планеты, поскольку могут отражать, рассеивать и поглощать солнечный свет. Также аэрозоли играют важную роль в формировании облаков, поскольку аэрозольные частицы могут выступать в роли ядер конденсации.

Рис. 1.8. Миллионы тонн пыли из Сахары переносятся ежегодно ветром через Атлантику (Yu et al., 2015). Содержащийся в пыли фосфор – ценное удобрение для лесов Амазонки. Приведенный пример является прекрасной иллюстрацией того, что в климатической системе все взаимосвязано. Аэрозоли также поглощают и рассеивают солнечное излучение и служат ядрами конденсации водяных капель, способствуя образованию облаков. На фото – пыль из Сахары над Канарскими островами. Источник изображения: NASA

Рис. 1.9. Диапазон значений альбедо различных поверхностей (Ruddiman, 2014). Величина альбедо зависит от угла падения солнечных лучей, поэтому поверхности со сходными свойствами в высоких широтах отражают больше света

Важнейшую роль в климатической системе играют снег и лед – в первую очередь за счет высокой отражающей способности или, как говорят климатологи, высокого альбедо[12 - От лат. albus – белый. Величина альбедо меняется от 0 до 1. Среднее планетарное альбедо Земли около 0,3. Это значит, что около 30 % излучения отражается Землей обратно в космическое пространство (см. рис. 1.4).] (рис. 1.9). Ледяные шапки полярных широт медленно меняются в течение тысяч и десятков тысяч лет; горные ледники реагируют на внешние воздействия быстрее – от 10 до 100 лет. Площадь снежного покрова и морских льдов может существенно меняться за дни и недели. Снег, выпавший на сушу, может лежать всю зиму. В Северном полушарии площадь суши значительно больше, поэтому в целом на планете площадь снежного покрова удваивается от августа к декабрю (Bradley, 2015). Морские льды также влияют на климат, затрудняя перенос тепла из относительно теплого океана в атмосферу и сохраняя Арктику холодной.

Биосфера – также важнейший компонент климатической системы. Леса составляют около трети площади суши и существенно влияют на альбедо Земли и на скорость испарения влаги. И что для нас особенно важно – растения влияют на состав атмосферы, захватывая углекислый газ и выделяя кислород. Именно присутствие живых организмов создало кислородную атмосферу на планете, а не наоборот. Растительность реагирует на изменения влажности и температуры довольно быстро – от нескольких часов до столетий.

Предположим, что по каким-то причинам возник дисбаланс[13 - В англоязычной литературе используется термин forcing, который без перевода все чаще используется и в отечественной литературе. Форсинг представляет собой разность между энергией, приходящей от Солнца, и рассеиваемой Землей в пространство.] между приходом и расходом энергии в климатической системе. Например, энергии стало поступать больше или уходить чуть меньше. Казалось бы, Земля немного нагреется и станет излучать больше энергии в пространство. В итоге радиационный баланс восстановится, но уже на другой ступеньке. Однако простые ответы не всегда правильные. Может случиться так, что климатическая система отреагирует на воздействие более сложным, нелинейным образом.