эрозоль). Здесь очищения воздуха осадками нет. Стратосфера очень устойчива, и этот мелкий аэрозоль здесь сохраняется от нескольких месяцев до 1–2 лет. Одновременно здесь идут химические реакции, поэтому состав аэрозоля меняется во времени. Так, поднятая в стратосферу сера со временем превращается в CaSO4, а затем и в серную кислоту H2SO4 — благо, здесь достаточно влаги, чтобы обеспечить такое превращение. Капельки H2SO4 очень мелкие. Они образуют мелкодисперсный аэрозоль. Ясно, что долгоживущий стратосферный аэрозоль намного эффективнее влияет на климат, чем крупный аэрозоль внизу — в тропосфере, который там долго не задерживается.
Аэрозоль неравномерно распределен по высоте. Имеется некоторая высота, на которой его больше всего. Поэтому говорят об аэрозольном слое, где концентрация аэрозольных частиц значительно больше, чем на других высотах, — как ниже, так и выше. Во многих районах Земли ведутся наблюдения за аэрозольным слоем. Изучается не только его высота и концентрация частиц, но и распределение частиц по размерам, их физическая и химическая природа и т. д. В этих исследованиях широко используются лазерные установки, позволяющие по рассеянному излучению получать указанную информацию об аэрозолях.
Все свойства атмосферы зависят от широты. На экваторе они не такие, как в средних широтах, и тем более на полюсах. Естественно, что и аэрозольный слой на разных широтах занимает разную высоту. Над тропиками аэрозольный слой сосредоточен на высотах 15–20 км и несколько выше. Это уже стратосфера. Радиус частиц здесь составляет примерно 0,3 мкм. Причем ими являются в основном соединения серы. Здесь сосредоточен аэрозоль, образующийся в результате извержения вулканов. Но сюда же поднимаются частицы аэрозоля, которые выбрасываются в атмосферу в результате техногенной деятельности человека.
В аэрозольном слое в стратосфере содержится примерно 0,2 миллиона тонн аэрозольных частиц. Рядом с этими частицами (в основном серой) находится около 2,6 миллиона тонн водяного пара. Этого количества воды вполне достаточно для того, чтобы сера и ее соединения, например CaSO4, превращались в серную кислоту H2SO4.
Как измеряют массу аэрозоля? Косвенным путем. Измеряют интенсивность коротковолнового солнечного излучения, которое пробралось через аэрозольный слой и достигло земли. Сколько должно прийти излучения — известно. По тому, сколько ее застряло (поглотилось и рассеялось) в аэрозольном слое, оценивают количество частиц и массу всех частиц, которые встретились на пути солнечного излучения. Экспериментально (эмпирически) устанавливается связь между общей массой аэрозольных частиц и уменьшением солнечного коротковолнового излучения в процентах, а именно: если это уменьшение излучения (в процентах) умножить на 5, то получим общую массу аэрозольных частиц в тропосфере. Масса при этом выражается в миллионах тонн. Для стратосферы надо умножить не на 5, а на 1,1. Отличие в этом плане тропосферы и стратосферы состоит в том, что эффективность поглощения и рассеяния солнечного излучения зависит от размеров частиц, а в стратосфере они мельче, чем в тропосфере. Аэрозольные частицы в тропосфере более крупные и рассеивают солнечное излучение менее эффективно, чем более мелкие частицы выше — в стратосфере. Но одновременно идет и процесс поглощения солнечного излучения.
Если размеры (радиус) частиц в аэрозольном слое в стратосфере равны 0,3 мкм, то при реальной их концентрации они ослабят коротковолновое солнечное излучение примерно на 0,2 %. Результаты этого расчета были подтверждены прямыми измерениями оптической прозрачности атмосферы во время извержения вулкана Агунг в 1963 году, когда было выброшено в стратосферу большое количество аэрозоля. При крупных извержениях вулканов (например, вулкана Кракатау) в тропосферу выбрасывается примерно 100 миллионов тонн или около того. В стратосферу при этом поднимается примерно в пять раз меньше частиц (по их общей массе), то есть около 20 миллионов тонн. Солнечное коротковолновое излучение при этом ослабляется примерно на 20 %, что в сто раз больше ослабления его нормальным аэрозольным слоем (в спокойных условиях).
Большое количество серы попадает в атмосферу в результате сжигания топлива. Образовавшееся из серы CaSO4 по своей общей массе сопоставимо с количеством серы, выбрасываемым в атмосферу при самых мощных извержениях вулканов. Но в скором будущем количество CaSO4 за счет сжигания топлива в десять и более раз превысит то, которое обязано своим образованием активности вулканов.
Поскольку мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновое солнечное излучение, а значит, уменьшает солнечную энергию, приходящую к Земле и к тропосфере, то тем самым он «работает» на похолодание климата, поскольку атмосфера при этом должна охлаждаться. Поэтому похолодания климата в прошлом пытаются объяснить, в частности, влиянием аэрозоля, выброшенного в атмосферу при извержении вулканов. Однако тут есть важное «но». Дело в том, что частицы аэрозоля не только рассеивают коротковолновое солнечное излучение, тем самым уменьшая солнечную энергию, но и поглощают его. А при поглощении энергия солнечного излучения идет на нагрев атмосферы. Поэтому очень важно оценить, что больше, что меньше, то есть какова роль поглощения. Во всяком случае во время мощного извержения вулкана Агунег в 1963 году температура стратосферы не понизилась, а повысилась, причем на все 3 °C.
Влиянием аэрозолей на климат занимаются многие (если не все) климатологи. В основном это расчеты, в которых слишком много предположений. Компьютер, малый он или большой, выдаст вам то, что вы в него заложите. Он очень быстро выполнит огромное количество операций, но только по заданному вами алгоритму, по заданным начальным и граничным условиям и т. д. Многих очаровывают чисто технические возможности компьютера. Им кажется, что компьютер позволяет смотреть на мир особыми глазами, глазами математика. У них есть иллюзия, что так они совершают восхождение к разуму. На самом деле главное в исследованиях не компьютер, а голова, а вернее, идеи. Хотя и идеи бывают разные. Например, солидные ученые высказали идею не только не стремиться меньше загрязнять атмосферу различными аэрозолями, а совсем наоборот — забрасывать туда дополнительно, специально, за здорово живешь примерно по полмиллиона тонн H2S ежегодно. Для этого они предлагают сжигать ежегодно дополнительно 0,1 миллиона тонн серы. Но зачем? — спросите вы. Чтобы увеличить слой аэрозолей и тем самым уменьшить поток солнечного излучения. Такая мера предусматривается для того, чтобы не произошло чрезмерного потепления климата.
Думается, что прежде чем предлагать такие бредовые идеи, следовало бы разобраться, как действуют на климат все факторы. А их немало. Ведь действие одних факторов может компенсировать действие других. Например, потепление за счет парникового эффекта СО2 может в той или иной степени быть скомпенсировано похолоданием, вызванным рассеянием солнечной энергии аэрозолями. Но при этом надо учитывать все аспекты действия разных факторов, в частности аэрозоля. Ведь частицы аэрозоля не только рассеивают и поглощают солнечное излучение. Находясь в тропосфере, они существенно влияют на микроструктуру облачности и на осадки. Меняя облачность, мы меняем условия прохождения через атмосферу солнечного излучения. А это прямой путь к изменению климата.
Мы уже говорили о роли воды в атмосфере. Благодаря ей образуется серная кислота. Она обладает также парниковым эффектом. На верхней границе тропосферы и выше, в стратосфере, количество водяного пара увеличивается в результате полетов высотных самолетов. При сжигании одного килограмма топлива образуется почти в полтора раза больше (1,2–1,4 кг) водяного пара. Если использовать водородное топливо, то на каждый его килограмм будет образовываться 8 килограмм водяного пара. Таким путем мы имеем шансы увеличить количество водяного пара в атмосфере на 10 %, то есть на 0,2 миллиона тонн. Действие водяного пара на климат разнообразное. Оно проявляется не только через парниковый эффект. Так, вносимый в атмосферу водяной пар становится ядром конденсации. На эти ядра перекачивается влага из атмосферы. Это происходит потому, что упругость насыщения водяного пара из атмосферы надо льдом и водой различна. При определенных благоприятных условиях образуется перистая облачность. Поэтому за самолетами вы видите перистый след. В заключение можно сказать, что роль аэрозоля в изменении климата, особенно забрасываемого человеком в атмосферу, очень важна. Но до конца проблема не решена.
Говоря о влиянии деятельности человека на климат, мы должны учитывать и то, что человек меняет поверхность Земли. При этом меняется отражательная особенность земной поверхности. Воздействие человека на поверхность Земли началось не сегодня. Выжигая и вырубая леса, чтобы освободить земли под пахоту и угодья, человек менял свойства поверхности Земли. Так, за последние сто лет площадь культивированных земель утроилась. Оценено, что в будущем будет освоено около 22 миллионов квадратных километров земель под сельскохозяйственные угодья.
Уменьшение площадей леса меняет в корне биохимический, водяной и энергетический циклы. Результат оголения поверхности от леса в конце концов приводит к осушению атмосферы. Важно не только то, что в результате вырубки и выжигания лесов увеличивается отражательная способность поверхности. Важно и другое — при этом параметр шероховатости поверхности уменьшается с 14,9 до 3 см. В результате поверхностное торможение изменится, угол отклонения ветра от изобар уменьшится. Значит, изменится атмосферное давление, изменятся вертикальные потоки и, в конце концов, изменится циркуляция атмосферы в целом.
Шероховатость поверхности и ее отражательная способность меняются не только в результате уничтожения лесов. Они меняются и при строительстве водохранилищ, городов, дорог и т. п. Очень наглядная поучительная ситуация с пустынями. Они расположены в основном в субтропической зоне. Отражательная способность пустынь очень высокая — около 35 %. Это значит, что более трети приходящей от Солнца энергии отражается обратно. Окружающие пустыню районы отражают значительно меньше коротковолнового излучения Солнца. Но, кроме того, пустыни теряют энергию и в длинн