Хотите научиться превращать заурядные фотографии в настоящие произведения искусства? Тогда смело вбивайте в поисковую строку гугла “photoshop уроки на русском” и переходите на сайт rejump.ru, на страницах которого представлено множество интересных статей с примерами, посвященных данной теме.
Мировой климат в значительной степени определяется поступлением и распределением солнечной радиации и ее балансом в масштабе планеты. Мы уже говорили об этом балансе в предыдущих статьях, посвященных климату, и сейчас лишь более подробно объясним его с помощью рисунка 23. Речь пойдет о том, как природные процессы и человеческая деятельность могут изменить радиационный баланс.
Сначала верхнего слоя земной атмосферы достигает солнечная энергия Е, которая на сегодняшний день равняется 342 Вт/м2. Эта энергия поступает в виде коротковолнового излучения. Часть этой энергии в виде длинноволнового излучения отсылается обратно в космос. Облака, льды и земная поверхность частично отражают это излучение. В среднем по планете доля отражаемой энергии равна α= 0.30. Эта доля носит название альбедо. Остальные 70% радиации в основном поглощаются различными поверхностями Земли, т. е. сушей и океаном, что приводит к повышению температуры. С другой стороны, согласно закону Стефана-Больцмана, от поверхностей Земли исходит длинноволновое излучение А, причем пропорционально температуре в четвертой степени. Таким образом, чем выше температура поверхности Земли, тем больше длинноволновое излучение. На своем пути в космос оно сталкивается с атмосферными газами, которые отчасти поглощают его и затем излучают во всех направлениях. В итоге часть энергии снова возвращается на поверхность Земли, которая снова ее отражает. Нагретый воздух снова излучает длинноволновую (тепловую) радиацию, часть которой РА возвращается к земной поверхности и снова излучается ею.
В итоге на поверхности Земли устанавливается такая температура, при которой уходящее в космос длинноволновое излучение (1- β) А в точности соответствует притоку неотраженной коротковолновой радиации (1-α) Е. В пояснении к схеме это условие выражено так: (1- β) А = (1-α) Е. Фактически дела обстоят несколько сложнее, поскольку поверхность Земли теряет энергию также через восходящие потоки тепла и влаги. Если земная поверхность теплее воздуха, то воздух нагревается за счет поверхности. Впрочем, это ничего не меняет в общей картине парникового эффекта.
Если бы Земля не имела атмосферы, то, исходя из радиационного баланса со значительно меньшим а (отсутствие облаков) и β=0, средняя температура на Земле составляла бы около — 10 °С. С учетом атмосферы мы получаем близкую к действительности величину + 15 °С.
На основе этой упрощенной схемы можно выделить ряд возможных систематических изменений климата.
1) Во-первых, может измениться солнечная энергия Е. По всей вероятности, такие случаи имели место в реальной истории Земли. За несколько миллиардов лет солнечная активность заметно возросла.
Тот факт, что за изменением солнечной активности не последовало соответствующего резкого изменения температуры, предположительно связан с одновременным изменением химического состава атмосферы Земли, результатом которого стало увеличение β.
Риск 23. Схема радиационного баланса
2) Кроме того, на температуру влияет доля отражаемого излучения, т. е. альбедо α. Повышение альбедо приводит к понижению температуры. В связи с этим высказывались предложения компенсировать ожидаемое антропогенное повышение температур путем установки больших зеркал на околоземную орбиту для того, чтобы усилить отражение поступающей солнечной радиации. Изменение площади заснеженных территорий и облачности также имеет непосредственное влияние на величину альбедо.
3) Характеристики земной поверхности влияют как на земное излучение, так и на восходящие потоки тепла и влаги. Изменение свойств земной поверхности отражается на потере энергии. К таким изменениям относятся вырубка лесов или асфальтирование земной поверхности в городах. В XIX веке опасения такого рода находились в центре общественной дискуссии.
4) Способность земной атмосферы улавливать длинноволновое излучение зависит от ее химического состава. Повышенная концентрация абсорбирующих веществ в атмосфере приводит к увеличению температуры. К таким веществам относятся водяной пар, углекислый газ, а также хлорфторуглероды, метан и оксиды азота. За всю историю Земли состав атмосферы сильно изменился, компенсировав упомянутый выше рост солнечной активности.
Джеймсом Лавлоком (род. в 1919 г.) была сформулирована «гипотеза Геи», согласно которой биосфера Земли активно реагирует на изменения природной среды (вызванные, например, изменением солнечной активности), и только благодаря этому на Земле продолжается жизнь.
Человек начал вмешиваться в климатические процессы земной поверхности еще в эпоху неолита. Вырубка леса и превращение Европы в сельскохозяйственный регион привело к изменению климата, по крайней мере, в европейской части Земли. В современной терминологии это называлось бы (непреднамеренным) экспериментом по изменению климата (третий механизм — изменение земного ландшафта).
Иоганн Готфрид Гердер еще в 1794 году наглядно и убедительно описал воздействие человека на климат на ранних этапах человеческой истории: «С тех пор как он [человек] украл у богов огонь и научился обрабатывать железо, с тех пор как он подчинил себе животных и своих собственных собратьев и стал выращивать животных и растения себе на пользу, он [способствовал] изменению [климата]. Прежде Европа была влажным лесом, равно как и другие возделанные ныне края. Сейчас она раскорчевана, и с климатом изменились и сами обитатели… Таким образом, мы можем смотреть на род человеческий как на сообщество смелых, хотя и невысоких богатырей, которые спустились с гор, подчинили себе землю и своими руками изменили климат. Как далеко они способны зайти в этом, покажет будущее».
В Северной Америке также был проведен подобный эксперимент: в пашни были превращены прерии (на Среднем Западе), обширные леса (на Востоке) и болотистые почвы (во Флориде). В этом случае у нас тоже нет возможности описать и проанализировать изменения при помощи инструментальных данных, однако эксперименты на климатических моделях дают основания полагать, что трансформации климата в данном случае ограничиваются только возделанным регионом.
Сегодня общественность обеспокоена двумя процессами: продолжающейся вырубкой тропических лесов и «дополнительным парниковым эффектом». Мы сосредоточимся на втором процессе и оставим пока в стороне уничтожение тропических лесов.
Парниковый эффект относится к четвертой категории возможных причин изменения климата, т. е. речь здесь идет об изменении химического состава атмосферы Земли. Как уже было сказано выше, в атмосфере Земли должна содержаться определенная доля «радиоактивных газов», чтобы на Земле поддерживалась пригодная для жизни температура. В настоящее время проблема заключается в том, что концентрация радиоактивных газов резко возросла из-за деятельности человека и прежде всего в результате интенсивного сжигания ископаемого топлива. Вполне вероятно, что за несколько десятилетий концентрация диоксида углерода увеличится вдвое. В последнее время также возросли выбросы метана в атмосферу. Поступающий в атмосферу метан образуется на рисовых полях, продуцируется сельскохозяйственными животными, в частности, коровами, а также выделяется в процессе переработки и транспортировки природного газа, Повышение температуры, вызванное антропогенными эмиссиями такого рода, создает «дополнительный парниковый эффект», который не следует путать с естественным, необходимым для жизни парниковым эффектом. Без СО2 невозможен фотосинтез, необходимый растительному миру. Так что не имеет смысла называть углекислый газ «убийцей климата» или изготавливать значки с надписями «СО2 — спасибо, не надо!».
Если в будущем выбросы углекислого газа, метана и т. д. не будут ограничены, к концу XXI-го века можно ожидать повышения глобальной температуры воздуха на 1-4 °С по сравнению со средней температурой в 1960-1990-е годы. Одновременно с этим возможны изменения в распределении осадков, а также повышение уровня моря на несколько дециметров. Ожидаемые изменения произойдут не за один день, а будут развиваться постепенно. Завершатся они лишь через несколько десятилетий после прекращения или стабилизации антропогенных выбросов. Все предположения относительно региональных особенностей изменений крайне неопределенны.