Климатообразующие факторы

Климатические условия играют важную роль в жизни людей. Общепризнано существование более десятка климатообразующих факторов. Как наиболее существенные выделяются следующие:

·          концентрация парниковых газов в атмосфере (углекислый газ, метан, закись азота, озон, и др.);

·          движение воздушных масс

·          концентрация тропосферных аэрозолей;

·          солнечная радиация;

·          вулканическая активность, вызывающая загрязнение стратосферы аэрозолями серной кислоты;

·          автоколебания в системе атмосфера-океан (Эль Ниньо-Южное колебание);

·          параметры орбиты Земли.

Было проанализировано воздействие этих факторов на радиационный баланс в пределах десятилетия и последнего столетия.

Одним из важнейших факторов, влияющих на климат планет, является солнечное излучение, падающее на планету. Солнечное излучение, падающее на планету, частично отражается в космическое пространство, частично поглощается. Поглощенная энергия нагревает поверхность планеты.

Исключительно важным фактором, влияющим на климат планет, является наличие или отсутствие атмосферы. Атмосфера планеты влияет на тепловой режим планеты. Плотная атмосфера планеты влияет на климат несколькими путями:

а) парниковый эффект увеличивает температуру поверхности;

б) атмосфера сглаживает суточные колебания температуры;

в) движение воздушных масс (циркуляция атмосферы) сглаживает разность температур между экватором и полюсом.

При рассмотрении вековой изменчивости климата оказалось, что именно накопление парниковых газов в атмосфере определило произошедшее повышение среднеглобальной температуры на 0.5°C. Однако объяснение нынешних и будущих изменений климата только антропогенным фактором покоится на весьма шатком фундаменте, хотя его роль со временем, безусловно, возрастает.

Парниковый эффект - это повышение температуры поверхности планеты и нижних слоев атмосферы планеты из-за того, что атмосфера пропускает солнечное излучение (как говорят, атмосфера прозрачна для солнечного излучения) и задерживает тепловое излучение планеты. Почему это может происходить? Тепловое излучение планеты задерживается (поглощается) сложными молекулами, например углекислым газом СО2, водой Н2О и другими. (Атмосфера прозрачна для солнечного излучения и непрозрачна для теплового излучения планеты). Именно вследствие парникового эффекта температура Венеры повышается с Т = - 44 С° до Т= 462 С°. Венера как бы укрыта слоем углекислого газа, как овощи в парнике - полиэтиленовой пленкой.

Парниковый эффект играет очень важную роль в формировании климата Земли. Например, на Титане из-за парникового эффекта температура повышается на 3 - 5 С°.

Солнечная радиация - это солнечное излучение. Уровень солнечной радиации измеряется на 1 м²земной поверхности в единицу времени (МДж/м²). Ее распределение зависит от широты местности, которой обусловлен угол падения солнечных лучей, и продолжительности дня, что в свою очередь влияет на продолжительность и интенсивность солнечного сияния, показатели суммарной солнечной радиации и среднюю температуру воздуха за год.

20% солнечной радиации, поступающей на Землю, отражается атмосферой. Остальная ее часть достигает земной поверхности - это прямая солнечная радиация. Часть радиации поглощается и рассеивается каплями воды, льда, частицами пыли, облаками. Такая радиация называется рассеянной. Прямая и рассеянная составляют суммарную. Часть радиации отражается от поверхности Земли - это отраженная радиация.

Движения воздушных масс. Воздушная масса - большой объем воздуха в тропосфере, обладающий характерными свойствами (температурой, влажностью, прозрачностью). Образование различных типов воздушных масс происходит в результате неравномерного нагревания земной поверхности. Вся система движения воздуха называется атмосферной циркуляцией.

Между воздушными массами располагаются переходные области шириной в несколько десятков километров. Эти области называются атмосферными фронтами. Атмосферные фронты находятся в постоянном движении. При этом происходит изменение погоды, смена воздушных масс. Фронты делятся на теплые и холодные.

Теплый фронт образуется, когда теплый воздух наступает на холодный и оттесняет его. Холодный фронт образуется, когда холодный воздух перемещается в сторону теплого и оттесняет его.

Теплый фронт приносит потепление, осадки. Холодный фронт приносит похолодание и прояснение. С атмосферными фронтами связано развитие циклонов и антициклонов.

Подстилающая земная поверхность влияет на распределение солнечной радиации, движение воздушных масс.

Анализ теплой биосферы мелового периода как аналога прогнозируемого потепления показал, что воздействия основных климатообразующих факторов (помимо углекислого газа) недостаточно для объяснения потепления такого масштаба в прошлом. Парниковый эффект необходимой величины отвечал бы многократному увеличению содержания СО₂ в атмосфере. Толчком грандиозных климатических изменений в этот период развития Земли, вероятнее всего, стала положительная обратная связь между ростом температуры океанов и морей и увеличением концентрации атмосферной углекислоты.

Реакция молодых деревьев сосны, молодых апельсиновых деревьев, пшеницы на увеличение содержания СО₂ в окружающей среде в диапазоне от 400 до 800 ppm почти линейна и положительна. Эти данные можно легко перенести на различные уровни обогащения СО₂ и на различные виды растений. К воздействию возрастающего количества углекислого газа в атмосфере относится и увеличение массы лесов США (на 30% с 1950 г.). Больший стимулирующий эффект рост СО₂ производит на растения, произрастающие в более засушливых (стрессовых) условиях. А интенсивный рост растительных сообществ, как утверждают авторы обзора, неизбежно приводит к увеличению суммарной массы животных и оказывает положительное воздействие на биоразнообразие в целом. Отсюда следует оптимистичный вывод: “В результате увеличения атмосферного СО₂ мы живем во все более и более благоприятных условиях окружающей среды. Наши дети будут наслаждаться жизнью на Земле с гораздо большим количеством растений и животных. Это замечательный и непредвиденный подарок от индустриальной революции”.

Безусловно, колебания уровня СО₂ в атмосфере имели место и в прошлые эпохи, однако никогда эти изменения не происходили столь быстро. Но если в прошлом климатическая и биологическая системы Земли в силу постепенности изменений состава атмосферы “успевали” перейти в новое устойчивое состояние и находились в квазиравновесии, то в современный период при интенсивном, чрезвычайно быстром изменении газового состава атмосферы все земные системы выходят из стационарного состояния. И если даже встать на позицию авторов, отрицающих гипотезу глобального потепления, нельзя не отметить, что последствия такого “выхода из квазистационара”, в частности климатические изменения, могут быть самыми серьезными.

Кроме того, согласно некоторым прогнозам, после достижения максимума концентрации СО₂ в атмосфере она начнет падать из-за уменьшения антропогенных выбросов, поглощения углекислоты Мировым океаном и биотой. В этом случае растениям вновь придется адаптироваться к изменившейся среде обитания.

В связи с этим чрезвычайно интересны некоторые результаты математического моделирования сложных последствий возможного изменения климата Земли. Эксперименты с трехмерной моделью объединенной системы океан-атмосфера, проведенные американскими исследователями, показали, что в ответ на потепление термохалинная северо-атлантическая циркуляция (Северо-Атлантическое течение) замедляется. Критическая величина концентрации СО₂, вызывающая такой эффект, лежит между двумя и четырьмя доиндустриальными величинами содержания СО₂ в атмосфере (она равна 280 ppm, а современная концентрация составляет около 360 ppm).

Используя более простую модель системы океан-атмосфера, специалисты провели детальный математический анализ описанных выше процессов. Согласно их расчетам, при росте концентрации углекислого газа на 1% в год (что соответствует современным темпам) Северо-Атлантическое течение замедляется, а при содержании СО₂, равном 750 ppm, наступает его коллапс - полное прекращение циркуляции. При более медленном росте содержания углекислоты в атмосфере (и температуры воздуха) - например на 0.5% в год, при достижении концентрации 750 ppm циркуляция замедляется, но затем медленно восстанавливается. В случае ускоренного роста парниковых газов в атмосфере и связанного с ним потепления Северо-Атлантическое течение разрушается при более низких концентрациях СО₂ - 650 ppm. Причины изменения течения в том, что потепление наземного воздуха вызывает рост температуры поверхностных слоев воды, а также повышение давления насыщенного пара в северных районах, а значит, и усиленную конденсацию, из-за чего возрастает масса распресненной воды на поверхности океана в Северной Атлантике. Оба процесса приводят к усилению стратификации водяного столба и замедляют (или вовсе делают невозможным) постоянное формирование холодных глубинных вод в северной части Атлантики, когда поверхностные воды, охлаждаясь и становясь более тяжелыми, опускаются в придонные области и затем медленно перемещаются к тропикам.

Исследования такого рода последствий потепления атмосферы, проведенные недавно Р.Вудом с сотрудниками, дает еще более интересную картину возможных событий. Помимо уменьшения общего атлантического переноса на 25% при современных темпах роста парниковых газов произойдет “отключение” конвекции в Лабрадорском море - одном из двух северных центров формирования холодных глубинных вод. Причем это может иметь место уже в период от 2000 до 2030 г.

Указанные колебания Северо-Атлантического течения могут повлечь за собой весьма серьезные последствия. В частности, при отклонении распределения потоков тепла и температуры от современного в атлантическом регионе Северного полушария средние температуры приземного воздуха над Европой могут существенно понизиться. Более того, изменения в скорости Северо-Атлантического течения и нагрева поверхностных вод могут уменьшить поглощение океаном СО₂ (по расчетам упомянутых специалистов - на 30% при удвоении концентрации углекислого газа в воздухе), что следует учитывать и в прогнозах будущего состояния атмосферы, и в сценариях выбросов парниковых газов. Существенные изменения могут произойти и в морских экосистемах, включая популяции рыб и морских птиц, зависящих не только от специфических климатических условий, но и от питательных веществ, которые выносятся к поверхности холодными океаническими течениями. Здесь мы хотим подчеркнуть чрезвычайно важный момент, упомянутый выше: последствия роста парниковых газов в атмосфере, как видно, могут быть гораздо сложнее, чем однородное потепление приземной атмосферы.

При моделировании обмена углекислым газом приходится учитывать и воздействие на газоперенос состояния границы раздела океана и атмосферы. В течение ряда лет в лабораторных и натурных экспериментах исследовались интенсивность переноса СО₂ в системе вода-воздух. Рассматривалось воздействие на газообмен ветроволновых условий и дисперсной среды, образующейся вблизи границы раздела двух фаз (брызги над поверхностью, пена, воздушные пузырьки в толще воды). Оказалось, что скорость газопереноса при изменении характера волнения от гравитационно-капиллярного к гравитационному существенно увеличивается. Этот эффект (помимо повышения температуры поверхностного слоя океана) может внести дополнительный вклад в поток углекислоты между океаном и атмосферой. С другой стороны, существенным стоком СО₂ из атмосферы являются осадки, интенсивно вымывающие, как показали наши исследования, помимо других газовых примесей и углекислый газ. Расчеты с использованием данных о содержании растворенного углекислого газа в дождевой воде и годовой сумме осадков показали, что в океан ежегодно с дождями может поступать 0.2-1 Гт СО₂, а общее количество углекислого газа, вымываемого из атмосферы, может достигать величины 0.7-2.0 Гт.

Поскольку атмосферный углекислый газ частично поглощают осадки и поверхностные пресные воды, в почвенном растворе повышается содержание СО₂ и как следствие этого происходит подкисление среды. В опытах, проведенных в лаборатории, была предпринята попытка исследовать особенности воздействия растворенного в воде СО₂ на накопление биомассы растениями. Проростки пшеницы выращивались на стандартных водных питательных средах, в которых в качестве дополнительных источников углерода, помимо атмосферного, служили растворенный молекулярный СО₂ и бикарбонат-ион в различных концентрациях. Это достигалось варьированием времени насыщения водного раствора газообразным углекислым газом. Оказалось, что первоначальное повышение концентрации СО₂ в питательной среде приводит к стимулированию наземной и корневой массы растений пшеницы. Однако при 2-3-кратном превышении над нормальным содержания растворенного углекислого газа наблюдалось торможение роста корней растений с изменением их морфологии. Возможно, при значительном подкислении среды происходит уменьшение ассимиляции других питательных веществ (азота, фосфора, калия, магния, кальция). Таким образом, опосредованное воздействие повышенной концентрации СО₂ должно приниматься во внимание при оценке их влияния на рост растений.

Приведенные в приложении к петиции данные об интенсификации роста растений различных видов и возраста оставляют без ответа вопрос об условиях обеспеченности объектов изучения биогенными элементами. Следует подчеркнуть, что изменение концентрации СО₂ должно быть строго сбалансировано с потреблением азота, фосфора, других питательных веществ, света, воды в продукционном процессе без нарушения экологического равновесия. Так, усиленный рост растений при высоких концентрациях СО₂ наблюдался в среде, богатой питательными веществами. Например, на заболоченных землях в эстуарии Чесапикского залива (юго-запад США), где произрастают в основном С₃-растения, увеличение СО₂ в воздухе до 700 ppm приводило к интенсификации роста растений и увеличению плотности их произрастания. Анализ более 700 агрономических работ показал, что при больших концентрациях СО₂ в среде, урожай зерновых в среднем был больше на 34% (там, где в почву вносилось достаточное количество удобрений и воды - ресурсов, имеющихся в изобилии только в развитых странах). Чтобы поднять продуктивность сельскохозяйственных культур в условиях роста углекислоты в воздухе, очевидно понадобится не только значительное количество удобрений, но и средств защиты растений (гербициды, инсектициды, фунгициды и т.д.), а также обширные ирригационные работы. Резонно опасаться, что стоимость этих мероприятий и последствия для окружающей среды окажутся слишком существенными и несоразмерными.

Исследования выявили также роль конкуренции в экосистемах, которая приводит к снижению стимулирующего эффекта высоких концентраций СО₂. Действительно, саженцы деревьев одного вида в умеренном климате (Новая Англия, США) и тропиках росли лучше при высокой концентрации атмосферного СО₂, однако при совместном выращивании саженцев разных видов продуктивность таких сообществ при тех же условиях не повышалась. Вероятно, конкуренция за питательные вещества сдерживает реакцию растений на повышение углекислого газа.

Исследования показывают, что в листьях растений, сформировавшихся в условиях высоких концентраций углекислого газа, меньше содержание азота, а следовательно, белка. Поэтому ценность такой растительности как пищи для животных и насекомых значительно снижена. Действительно, в экспериментах насекомые начинали съедать существенно больше листьев этих растений по сравнению с растительностью в условиях нормальной концентрации СО₂. Причем у насекомых замедляется развитие, они становятся более уязвимыми для хищников и паразитов. В результате популяция травоядных насекомых сокращается, сужается и пищевая база многих хищников. Могут измениться и другие экологические взаимосвязи. Установлено, например, что при повышенном уровне диоксида углерода ускоряется рост, цветение и старение растений. Изменение периода цветения может в свою очередь “сорвать” опыление растений из-за несовпадения цветения с пиком активности и распространенности опылителей. Поэтому не приходится говорить о росте видоразноообразия в условиях повышенной концентрации СО₂. В целом на основании приведенных результатов научных исследований можно видеть, что будущая атмосфера Земли с высоким содержанием двуокиси углерода окажет прямое и значительное влияние на состав и функционирование экосистем.

Изучение адаптивной стратегии и реакции растений на колебания основных факторов, влияющих на изменение климата и характеристики окружающей среды, позволило уточнить некоторые прогнозы. Еще в 1987 г. был подготовлен сценарий агроклиматических последствий современных изменений климата и роста СО₂ в атмосфере Земли для Северной Америки. Согласно проведенным оценкам, при увеличении концентрации СО₂ до 400 ppm и росте средней глобальной температуры у земной поверхности на 0.5°С урожайность пшеницы в этих условиях увеличится на 7-10%. Но рост температур воздуха в северных широтах особенно проявится в зимнее время и вызовет чрезвычайно неблагоприятные частые зимние оттепели, которые могут привести к ослаблению морозостойкости озимых культур, вымерзанию посевов и повреждению их ледяной коркой. Прогнозируемое увеличение теплого периода вызовет необходимость селекции новых сортов с более продолжительным вегетационным периодом.

Что касается прогнозов урожайности основных сельскохозяйственных культур для России, то происходящий рост средних приземных температур воздуха и рост СО₂ в атмосфере, казалось бы, должны иметь положительный эффект. Воздействие только роста углекислого газа в атмосфере может обеспечить рост продуктивности ведущих сельскохозяйственных культур - С₃-растений (хлебных злаков, картофеля, свеклы и др.) - в среднем на 20-30%, тогда как для С₄-растений (кукурузы, проса, сорго, амаранта) этот рост незначителен. Однако потепление, очевидно, повлечет за собой снижение уровня атмосферного увлажнения примерно на 10%, что осложнит земледелие особенно в южной части Европейской территории, в Поволжье, в степных районах Западной и Восточной Сибири. Здесь можно ожидать не только снижения сбора продукции с единицы площади, но и развития эрозионных процессов (особенно ветровых), ухудшения качества почв, в том числе потери ими гумуса, засоления, опустынивания значительных территорий. Было установлено, что насыщение приземного слоя атмосферы толщиной до 1 м избытком СО₂ может откликнуться “эффектом пустыни”. Этот слой поглощает восходящие тепловые потоки, поэтому в результате его обогащения диоксидом углерода (в 1.5 раза в сравнении с нынешней нормой) локальная температура воздуха непосредственно у земной поверхности станет на несколько градусов выше средней температуры. Интенсивность испарения влаги из почвы увеличится, что приведет к ее иссушению. Из-за этого в целом по стране может снизиться производство зерна, кормов, сахарной свеклы, картофеля, семян подсолнечника, овощей и т.д. В результате изменятся пропорции между размещением населения и производством основных видов сельскохозяйственной продукции.

Наземные экосистемы, таким образом, весьма чувствительны к увеличению СО₂ в атмосфере, причем, поглощая избыточный углерод в процессе фотосинтеза, в свою очередь способствуют и росту атмосферного углекислого газа. Не менее важную роль в формировании уровня СО₂ в атмосфере играют процессы почвенного дыхания. Известно, что современное потепление климата вызывает усиленное выделение неорганического углерода из почв (особенно в северных широтах). Модельные расчеты [19], проведенные с целью оценки отклика наземных экосистем на глобальные изменения климата и уровня СО₂ в атмосфере, показали, что в случае только роста СО₂ (без климатических изменений) стимуляция фотосинтеза уменьшается при высоких значениях СО₂, но выделение углерода из почв растет по мере его аккумуляции в растительности и почвах. Если содержание СО₂ в атмосфере стабилизируется, чистая продукция экосистем (результирующий поток углерода между биотой и атмосферой) быстро падает до нуля, так как фотосинтез компенсируется дыханием растений и почв. Ответом наземных экосистем на климатические изменения без воздействия роста СО₂, согласно этим расчетам, может стать уменьшение глобального потока углерода из атмосферы в биоту из-за усиления дыхания почв в северных экосистемах и уменьшения чистой первичной продукции в тропиках в результате падения влагосодержания почв. Этот результат подтверждается оценками, согласно которым воздействие потепления на дыхание почв превалирует над воздействием его на рост растений и уменьшает почвенный запас углерода. Совместное воздействие глобального потепления и роста СО₂ в атмосфере может увеличить глобальную чистую продукцию экосистем и сток углерода в биоту, однако значительное возрастание почвенного дыхания может компенсировать этот сток в зимний и весенний периоды. Немаловажно, что эти прогнозы реакции наземных экосистем существенно зависят от видового состава растительных сообществ, обеспеченности питательными веществами, возраста древесных пород и значительно варьируют в пределах климатических зон.

Список литературы

1.  Алексеев В.В., Зайцев С.И., Лямин М.Я., Киселева С.В. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1987. №10. Т.23. С.1055-1059.

2.  Кудеяров В.Н. Выделение углекислого газа почвенным покровом России // Природа. 1994. №7. С.37-43.

3.  Менжулин Г.В., Коваль Л.А., Николаев М.В., Савватеев С.П. Об оценках агроклиматических последствий современных изменений климата. Сценарий для Северной Америки // Исслед. влияния изменений окружающей среды и климата на продуктивность с.-х. культур. Л., 1987. С.132-146.

4.  Скурлатов Ю.И. и др. Введение в экологическую химию. М., 1994. С.38.

5.  Чумаков Н.М. Теплая биосфера // Природа. 1997. №5. С.66-88.