ениях древних озер и океанов, гипотеза Миланковича нашла свое подтверждение. «Корень зла» заключается в колебаниях количества достигающей Земли солнечной радиации (в пределах от 5 до 10 %) на протяжении больших промежутков времени. Но чтобы понять причины таких колебаний, нам придется мысленно совершить визит в планетарий (см. рис. 8 цв. вклейки).
Траектории планет Солнечной системы, согласно первому закону Кеплера, представляют собой эллипсы (овалы). Орбита обращения Земли вокруг Солнца (происходящего, кстати, со скоростью 29,8 км/сек.) – эллипс, мало отличающийся от круга, а степень этого отличия – эксцентриситет – изменяется в пределах от 1 до 5 % (в настоящее время – 1,67 %) с главным периодом около 100 тыс. лет, который совпадает с периодом наступления и отступления ледников. Одновременно Земля вращается вокруг своей оси, причем направление этой оси в пространстве, в соответствии с законом сохранения момента импульса, должно быть всегда одним и тем же. Однако присутствие других планет, а также спутника Земли Луны приводит к тому, что возникают некоторые периодические отклонения, сказывающиеся и на орбите Земли, и на ее вращении.
Всего насчитывается 14 различных движений орбитальных процессов, совершаемых нашей планетой в космосе. Миланкович рассмотрел три из них. Помимо упомянутого вращения Земли вокруг Солнца, это прецессия и нутация.
Земная ось, которая «должна» была бы иметь всегда неизменную ориентацию, в реальности движется по круговому конусу с вершиной в центре Земли (период полного оборота равен 25 750 лет), это движение называется прецессией. Следствием прецессии является то, что в январе, когда расстояние между Землей и Солнцем минимально (и, значит, наша планета получает наибольшее количество солнечной энергии), Северное полушарие отвернуто от Солнца, а Южное, напротив, к нему повернуто. Такие отдаленность и приближенность полушарий к светилу обусловливают времена года: в январе в Северном полушарии – середина зимы, в Южном – разгар лета. По истечении половины периода (т. е. примерно через 13 тыс. лет) ситуация переменится на противоположную – тогда в Северном полушарии январь и июль поменяются ролями, и январь окажется летним месяцем. «По совместительству» и угол наклона земной оси к плоскости орбиты также подвержен небольшим колебаниям (рамки их изменений от 21,5° до 24,5° с периодом 41 тыс. лет, современное значение – 23,5°) вследствие влияния Луны и Юпитера. Такие колебания и есть нутация.
Согласно Миланковичу, ледниковые периоды возникают только тогда, когда все три орбитальных процесса действуют в одном направлении и их эффекты накладываются один на другой, усиливая друг друга. Поскольку эти астрономические факторы имеют разные периоды, то время от времени такие «оптимальные» условия возникают (рис. 9 цв. вклейки).
Современные исследования в основном подтверждают выводы Миланковича, но накоплено и немало данных, не вписывающихся в его теорию (справедливости ради отметим, что то же самое можно сказать о любой из бытующих сегодня теорий). Поэтому, вероятно, есть основания говорить о статистической справедливости теории Миланковича (т. е. признать существование колебаний климата с периодами 41 тыс. и 100 тыс. лет). Однако комплексное совместное воздействие на нашу планету иных планет и особо приближенной к ней Луны значительно усложняет картину и вносит в нее заметные коррективы, не учтенные ни автором теории, ни даже его последователями. И что же дальше?
Согласно расчетам Миланковича, следующий ледниковый период на Земле должен начаться приблизительно через 50 тыс. лет. Однако можно с большой долей вероятности предположить что современное беспрецедентно быстрое потепление глобального климата ставит под сомнение его наступление. В свете ускоренного роста концентрации углекислого газа и достижения ею не имевших в прошлом аналогов значений (см. далее раздел «Первый парень на деревне») парниковый эффект в состоянии нейтрализовать попытки орбитальных факторов в очередной раз установить на Земле «господство Снежной королевы». Такой спурт концентрации СО2 не позволит океану достигнуть нового равновесного состояния, что влечет за собой неустойчивость климата и резкое увеличение числа природных катастроф (землетрясений, цунами, наводнений и пр.).
Поэтому, наверное, не стоит загадывать, что произойдет через столь долгий промежуток времени (тем более что проверить качество такого прогноза нам не удастся…). Резоннее сосредоточиться на решении текущих проблем изменений климата в ближайшем будущем.
И тут снова возникает вопрос о причинах его современных изменений. Как было сказано выше, поток солнечной энергии (солнечная постоянная) оставался практически неизменным. Астрономические факторы (движение планет) не могли так существенно сказаться на столь коротком (всего лишь – столетие) временном отрезке. Продолжим наши поиски.
Глава седьмаяЕсли не солнце, то что?
Небо и Земля разделены, но они делают одно дело.
Причины современных изменений климата
Наше «путешествие в эмпирей» подошло к концу, пора возвращаться на грешную Землю. Аналогично тому, как повышенная температура у человека – не причина, а следствие недомогания, обсуждаемое увеличение температуры в ХХ веке является результатом нарушения радиационного баланса между приходящей – коротковолновой и уходящей – длинноволновой радиацией (рис. 11).
Рис. 11. Иллюстрация к оценке радиационного баланса на поверхности Земли. КВР – коротковолновая радиация; ДВР – длинноволновая радиация
В связи с увеличением температуры чаша с коротковолновой радиацией стала «весить» несколько больше чаши с радиацией длинноволновой. По каким причинам это произошло и где эти причины искать? Помнится, герой старой рязановской комедии утверждал, что кого-кого, а Бабу Ягу следует воспитывать в своем коллективе. Так и нам искать эти причины придется в своей климатической системе, больше негде! Собственно, основных направлений поиска два: либо уменьшились «транспортные издержки» доставки коротковолновой радиации от верхней границы атмосферы к земной поверхности, либо сократился отток длинноволновой радиации в открытый космос. Вариант с одновременным изменением как притока, так и оттока радиации («кто кого переборет») отложим пока в долгий ящик. Но если с первым направлением как будто все ясно, то второе нуждается в дополнительном пояснении. Задержка части уходящего излучения обусловлена наличием в атмосфере группы газов и аэрозолей, способных поглощать такое излучение. Естественно, газы эти «работают» не только сейчас, «работали» они, по О. Бендеру, и «до исторического материализма». Весь вопрос в том, изменилась ли, и если изменилась, то насколько, продуктивность этой «работы» в течение прошлого столетия. Постараемся в этом разобраться.
Под одним «одеялом»: парниковый эффект и вызывающие его газы
Расчищая авгиевы конюшни, нельзя забывать о проблеме экологии.
Идею по поводу механизма парникового эффекта в 1827 г. изложил французский ученый Ж. Фурье (1768–1830). Чуть позже, в 1860 г., ирландский физик Д. Тиндаль (1820–1893) экспериментально установил, что углекислый газ CO2 «не пропускает» исходящее от Земли тепловое излучение. Детальное же исследование парникового эффекта было проведено в 1896 г. шведским химиком С. Аррениусом (1859–1927).
О парниковом эффекте пишут много, но часто его смысл искажается.
Суть парникового эффекта – в поглощении атмосферой, точнее – парниковыми газами атмосферы и некоторыми аэрозолями, длинноволновой радиации, испускаемой нагретой подстилающей поверхностью. Поглощенная всяким парниковым газом энергия длинноволнового излучения вызывает повышение температуры воздуха. Увеличенное содержание парникового газа и подобное повышение температуры вызывают рост потока длинноволнового излучения вниз, к подстилающей поверхности, и вверх, к верхней границе атмосферы. В теплом воздухе повышается влажность, а водяной пар – самый сильный парниковый газ. Поглощение им длинноволнового излучения приводит к резкому повышению температуры воздуха. Так несколько положительных обратных связей[13] многократно усиливают парниковый эффект и делают его самым значительным среди всех других антропогенных климатоформирующих факторов (рис. 12 и рис. 10 цв. вклейки).
В иерархии эффективности парниковых газов на первом «королевском» месте безоговорочно располагается водяной пар. Его господство среди парниковых газов столь же незыблемо, как превосходство Солнца над прочими влияющими на климат Земли факторами. Водяной пар поглощает длинноволновую радиацию почти на всех частотах (иначе – полосах поглощения) инфракрасного излучения (λ > 0,7 мкм) и делает это много интенсивнее прочих парниковых газов. Лишь в диапазоне длин волн 8 мкм < λ < 13 мкм поглощение водяным паром минимально, и, как следствие, излучение с такими длинами волн может покидать атмосферу почти беспрепятственно. Поэтому специалисты обычно говорят об этом явлении как о «прозрачности» атмосферы в указанном интервале длин волн, а сам интервал именуют окном прозрачности. В этой связи главным критерием значимости всякого другого парникового газа является его способность эффективно поглощать инфракрасное излучение внутри такого окна прозрачности или вблизи его границ. Рис. 13 иллюстрирует, на каких длинах волн (отложенных на оси абсцисс) излучение поглощается газами (заштрихованная область), а на каких такое поглощение отсутствует. Снизу стрелками показаны основные полосы поглощения, а также газы, «ответственные» за каждую из этих полос.
На почтительном отдалении от «короля» – его «свита», в которой по ранжиру значимости выстраиваются