Файл: Будыко, М. И. Изменения климата.pdf

в протерозое, вопрос об их положении по отношению к полюсам Земли того времени остается совершенно неясным.

Таким образом, климатические условия последнего сравни­ тельно короткого интервала геологической истории Земли с резко выраженной термической зональностью, возможно, не имеют сколько-нибудь близкой аналогии среды климатов прошлого. Они резко отличаются от преобладавшего на протяжении большей части последних 600 млн. лет типа климата, который характеризо­ вался жаркими или теплыми условиями на всех широтах, малой разностью температур между полюсами и экватором и малой амп­ литудой годового хода температуры во внетропических широтах.

1.4. ФАКТОРЫ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА

Переходя к рассмотрению существующих взглядов на причины изменения климата, мы разделим эти причины на две группы. К первой из них относятся такие внешние факторы, которые ока­ зывали несомненное влияние на климат, хотя мнения о масштабах этого влияния и его характере различаются. Ко второй группе

•относятся факторы, влияние которых на климат возможно, но не является бесспорным. В связи с этим некоторые авторы признают роль этих факторов в изменении климата, тогда как другие ее от­ рицают.

К числу факторов, входящих в первую группу, следует отнести изменения состава атмосферы, формы земной поверхности и астро­ номических элементов, определяющих положение земной поверх­ ности по отношению к Солнцу.

Изменения состава атмосферы. В существующих исследованиях главное внимание уделяется изучению влияния на климат двух переменных компонент, входящих в состав атмосферы, — концент­

.длинноволновое излучение в атмосфере, изменения концентрации углекислоты могут привести к колебаниям климата (Tyndall, 1861).

В дальнейшем вопрос о влиянии атмосферной углекислоты на климат привлек внимание Аррениуса (Arrhenius, 1896, 1903) и

Чамберлина (Chamberlin, 1897, 1898, 1899), которые предполо­ жили, что изменения количества атмосферной углекислоты могли

•быть причиной четвертичных оледенений.

В работах Аррениуса было исследовано поглощение радиацион­ ных потоков в атмосфере и предложена численная модель для

•определения температуры у земной поверхности в зависимости от

•свойств атмосферы. Используя эту модель, Аррениус нашел, что

24 Глава 1. Введение

Хотя Коллендер показал большое значение учета поглощения длинноволновой радиации водяным паром для правильной оценки влияния изменения концентрации углекислоты на температуру, тем не менее Пласс (Plass, 1956) и Каплан (Kaplan, 1960) выпол­ нили расчеты влияния углекислоты на термический режим, не при­ нимая во внимание этого эффекта. Пласс получил довольно боль­ шие изменения температуры у земной поверхности (повышение температуры на 3,6° при удвоении концентрации углекислоты, понижение на 3,8° при уменьшении концентрации вдвое), что по­ зволило ему вернуться к углекислотной гипотезе происхождения четвертичных оледенений. Для обоснования этой гипотезы Пласс выдвинул концепцию об автоколебательном характере изменений концентрации углекислоты в атмосфере и океане, которая своди­ лась к следующему.

После начального небольшого снижения количества углекис­ лоты в атмосфере происходит снижение температуры у земной по­ верхности, которое вызывает увеличение массы полярных льдов. В результате этого уменьшается объем океанических вод, что лриводит к увеличению содержания углекислоты в атмосфере и к новому потеплению.

После наступления потепления льды тают, объем океанов воз­ растает, количество углекислоты в атмосфере уменьшается и на­ чинается новый период похолодания.

В работе Каплана было отмечено, что влияние облачности за­ метно уменьшает изменение температуры у земной поверхности, обусловленное колебаниями концентрации углекислоты, по срав­ нению с оценкой, полученной Плассом.

Необходимость принять во внимание поглощение длинноволно­ вой радиации водяным паром в расчете влияния углекислоты на термический режим атмосферы была подчеркнута в исследовании К. Я. Кондратьева и X. Ю. Нийлиск (Kondratjev and Niilisk, 1960)

и в работе Меллера (МбПег, 1963). Учитывая этот эффект, К. Я. Кондратьев и X. Ю. Нийлиск получили гораздо меньшие из­ менения температуры у земной поверхности по сравнению с ре­ зультатами Пласса и Каплана.

Меллер обратил внимание, что при изменении температуры воздуха обычно меняется абсолютная влажность, тогда как отно­ сительная влажность воздуха остается более или менее постоян­ ной. Увеличение абсолютной влажности воздуха при повышении температуры усиливает поглощение длинноволновой радиации в атмосфере, что дополнительно повышает температуру. Меллер нашел, что увеличение температуры у земной поверхности, обус­ ловленное удвоением концентрации углекислоты, при постоянной абсолютной влажности воздуха составляет 1,5°, тогда как при постоянной относительной влажности эта величина возрастает в несколько раз. Наряду с этим Меллер отметил, что влияние угле­ кислоты на термический режим может быть компенсировано срав­

нительно небольшими изменениями абсолютной влажности воздуха или облачности.

Детальное исследование зависимости температуры воздуха от концентрации углекислоты в атмосфере выполнили Манабе и Ве-

зеролд (Manabe and Wetherald, 1967). В этой работе была отме­ чена неточность расчетов Меллера, который оценивал изменения термического режима атмосферы только по данным о тепловом балансе земной поверхности, не рассматривая теплового баланса атмосферы в целом.

Манабе и Везеролд рассчитали вертикальное распределение температуры в атмосфере, принимая во внимание поглощение длинноволновой радиации водяным паром, углекислым газом и озоном. В расчете использовалось вертикальное распределение относительной влажности воздуха, заданное по эмпирическим дан­ ным. Предполагалось, что распределение температуры определя­ ется условиями локального радиационного равновесия, если вер­ тикальный градиент температуры не превышает 6,5°/км. Указанное значение градиента температуры считалось максимально возмож­ ным из-за ограничивающего влияния конвективных процессов на рост вертикального градиента.

Манабе и Везеролд нашли, что для средних условий облач­ ности удвоение концентрации углекислого газа при постоянной от­ носительной влажности воздуха увеличивает температуру у земной поверхности на 2,4°. Уменьшение существующей концентрации

вдва раза снижает температуру воздуха на 2,3°.

Впоследующих работах Манабе были выполнены расчеты влияния изменений концентрации углекислоты на температуру воздуха на различных широтах. Используя трехмерную модель об­ щей циркуляции атмосферы, Манабе нашел, что вызванное уве­

личением концентрации углекислоты повышение температуры в высоких широтах примерно вдвое превосходит повышение средней глобальной температуры (Inadvertent Climate Modifica­ tion, 1971).

Изменения температуры воздуха на различных широтах для большого интервала концентрации углекислоты были рассчитаны Л. Р. Ракиповой и О. Н. Вишняковой (1973). В этой работе для решения поставленной задачи была использована двухмерная модель термического режима атмосферы, включавшая учет радиа­ ционных потоков тепла, прихода и расхода тепла при конденсации и испарении, макротурбулентный теплообмен в атмосфере и теп­ лообмен между поверхностью океана и нижележащими слоями. При расчете радиационных потоков было принято во внимание влияние водяного пара и озона.

Л. Р. Ракипова и О. Н. Вишнякова рассчитали изменения тем­ пературы воздуха на различных широтах и разных высотах в за­ висимости от концентрации углекислого газа, которая изменялась от нуля до величины, в пять раз превосходящей ее современные

значения. Расчеты были выполнены для холодного и теплого полу­ годий в условиях безоблачной атмосферы и для средних условий облачности. Влияние облачности на зависимость температуры воз­ духа от концентрации углекислого газа оказалось сравнительно небольшим. Различие этой зависимости для теплого и холодного полугодий также оказалось довольно малым.

Следует отметить, что Л. Р. Ракипова и О. Н. Вишнякова,

вотличие от Манабе и Везеролда, предполагали, что при измене­ ниях концентрации углекислоты абсолютная влажность воздуха остается постоянной. Такое предположение означает пренебреже­ ние эффектом изменения испарения при изменениях температуры земной поверхности, что приводит, как показали Манабе и Везеролд, к некоторому преуменьшению изменений температуры воз­ духа, вызванных колебаниями концентрации углекислоты.

Все упомянутые выше исследования влияния изменения кон­ центрации углекислоты на термический режим атмосферы содер­ жат большое количество упрощающих предположений. В боль­ шинстве этих исследований задача рассматривается как локаль­ ная, без учета возможных изменений общей циркуляции атмосферы

врезультате изменений температуры воздуха.

Сэтой точки зрения представляют интерес последние работы Манабе и Л. Р. Ракиповой, О. Н. Вишняковой, из которых следует, что расчет изменений температуры на различных широтах дает для средних глобальных условий результаты, не очень сильно от­ личающиеся от расчета, выполненного непосредственно по данным, осредненным для планеты в целом.

Из различных ограничений, принятых в ранее выполненных исследованиях влияния количества углекислого газа на климат, одним из наиболее существенных является пренебрежение обрат­ ной связью между термическим режимом атмосферы и площадью

1971; Smagorinsky, 1974), который принимал во внимание измене­ ния площади снежного и ледяного покрова в зависимости от тер­ мического режима атмосферы. В результате Манабе получил более значительное изменение температуры воздуха (в особен­ ности для более высоких широт) при колебаниях концентрации углекислоты в атмосфере.

Вопрос о влиянии изменений площади полярных льдов на тер­ мический режим атмосферы при колебаниях концентрации угле­ кислого газа рассмотрен в работах автора (Budyko, 1972а, Будыко 1973), результаты которых изложены в четвертой главе книги.

Учет этого влияния, по-видимому, имеет существенное значение для объяснения закономерностей изменений климата в течение последней части третичного периода и в четвертичное время.

Наряду с вопросом о влиянии изменений содержания углекис­ лого газа на климат ряд исследований был посвящен изучению воз­