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

увеличении концентрации аэрозоля в нижней стратосфере (Будыко, 1972, 1974; Будыко и др., 1974).

Воздействие на аэрозольный слой стратосферы. В работах Юнге (Junge, 1963 и др.), Г. В. Розенберга (1968), Кейдла (Cadle, 1972 и др.), И. Л. Кароля (1973) было установлено, что в нижней стратосфере располагается аэрозольный слой с частицами, сред­ ний размер которых составляет десятые доли микрометра и кото­ рые состоят в основном из соединений серы.

В третьей главе даны оценки влияния этого слоя на поток ко­

массы аэрозоля в нижней стратосфере заметно изменяют «метео­ рологическую солнечную постоянную» и соответственно среднюю температуру воздуха у земной поверхности.

Рассмотрим возможность изменения климатических условий путем увеличения концентрации аэрозольных частиц в нижней стратосфере. Для этой цели рассчитаем массу аэрозоля, введение которой в стратосферу может вызвать изменение климата в мас­ штабах, наблюдавшихся в эпоху потепления 20—30-х годов, но имеющего обратное направление, т. е. обеспечивающего снижение средней температуры у земной поверхности.

Как видно из данных третьей главы, для этой цели необходимо уменьшить среднюю величину прямой радиации на 2%. что соот­ ветствует уменьшению суммарной радиации на 0,3%.

Считая в соответствии с приведенными выше данными сред­ нюю величину массы аэрозоля, уменьшающего суммарную радиа­ цию на 1%, равной 0,8 • 10-6 г/см2, найдем, что для указанной цели масса аэрозоля в северном полушарии должна быть увели­ чена на 600 тыс. т.

Возможны различные технические методы осуществления та­ кого увеличения массы аэрозоля. Рассмотрим один из них, осно­ ванный на концепции о сульфатной природе аэрозольных частиц стратосферы.

Для увеличения концентрации сульфатных частиц достаточно доставить на уровень аэрозольного слоя определенное количество сернистого газа, который затем превратится в капельки серной кислоты. Для создания 600 тыс. серной кислоты требуется около 400 тыс. т сернистого газа, который может быть образован в ре­ зультате сжигания 200 тыс. т серы.

Будем считать, что средняя длительность существования аэро­ зольных частиц в стратосфере составляет два года. Тогда для поддержания необходимой концентрации аэрозольных частиц, со­ стоящих из чистой серной кислоты, ежегодно нужно было бы до­ ставлять в нижнюю стратосферу 100 тыс. т серы. Однако из-за гигроскопичности концентрированной серной кислоты ее капельки будут абсорбировать водяной пар из воздуха, увеличивая свою массу и понижая удельный вес. В результате этого эффекта

262 Глава 7. Климат будущего

количество реагента, необходимого для заданного снижения сум­ марной радиации, значительно уменьшится. Так как точная вели­ чина концентрации серной кислоты в капельках стратосферного аэрозоля неизвестна, примем ее ориентировочное значение равным 50%. В этом случае для решения поставленной задачи потребуется около 40 тыс. т серы в год. Отметим, что эта величина меньше поло­ вины указанной выше массы серы из-за уменьшения удельного веса аэрозоля при разбавлении серной кислоты водой.

Учитывая, что современные высотные самолеты могут подни­ маться на уровень аэрозольного слоя с грузом около 15 т, найдем, что такая масса реагента может быть доставлена в нижнюю стра­ тосферу несколькими регулярно работающими самолетами, обору­ дованными устройством для сжигания серы в атмосфере.

Заслуживает внимания то, что количество реагентов, вноси­ мых в атмосферу при осуществлении изложенного здесь метода воздействия на климат, ничтожно мало по сравнению с массой вещества, поступающего в атмосферу в результате современной хозяйственной деятельности человека. Величина этой массы для рассматриваемого выше случая воздействий в десятки тысяч раз меньше количества вещества, попадающего в атмосферу под влия­ нием деятельности человека и составляющего по современным данным сотни миллионов тонн в год (Inadvertent Climate Modifi­ cation, 1971).

Также совершенно незначительно количество реагентов, осе­ дающих в конечном счете на земную поверхность, — при указан­ ном выше расходе оно будет равно в среднем около 0,2 мг серы на квадратный метр в год, что примерно в тысячу раз меньше естест­ венного выпадения серы в атмосферных осадках (Будыко и др., 1974). Очевидно, что такие количества не имеют никакого значения для загрязнения окружающей среды.

Следует указать, что хотя расчеты, на которых основаны изло­ женные здесь выводы, имеют весьма приближенный характер, можно думать, что уточнение этих расчетов в последующих иссле­ дованиях не изменит заключения о принципиальной возможности воздействия на климат современными техническими средствами путем регулирования концентрации аэрозоля в стратосфере. Такое воздействие будет возможным даже при необходимости увеличить расход реагентов на порядок, что превосходит вероятную погреш­ ность расчетов влияния концентрации аэрозоля на потоки радиа­ ции и погрешность оценки изменений температуры воздуха у зем­ ной поверхности при колебаниях метеорологической солнечной по­ стоянной.

Рассмотренный в этой работе способ доставки реагентов, ве­ роятно, является не единственным. По-видимому, нужно изучать возможность использования для доставки реагентов в стратосферу других технических средств, включая ракеты и различные виды снарядов.

Следует также исследовать перспективы применения других реагентов кроме серы для увеличения массы стратосферного аэро­ золя. При этом требует выяснения вопрос о возможности побоч­ ных влияний реагентов на физические процессы в стратосфере,

вчастности, влияний на режим озона. Можно думать, что в пре­ делах изменений концентрации сульфатного аэрозоля, наблюда­ емых в естественных условиях, влияние этих изменений на озон сравнительно невелико. Такое влияние может, однако, оказаться существенным при создании высоких концентраций сульфатного аэрозоля или при внесении в стратосферу реагентов, которые там

вестественных условиях не содержатся.

Отметим, что выбор района выброса реагента в рассматрива­ емом проекте воздействия на климат имеет ограниченное значение, поскольку, как это выяснено по данным о распространении про­ дуктов вулканических извержений, реагент из любой точки внетропической зоны быстро распространяется по всему полушарию. На­ ряду с этим изучение циркуляции в нижней стратосфере может иметь значение при выборе оптимальных районов и периодов вре­ мени для распространения реагента, обеспечивающих наиболее эффективное его использование.

Осуществление рассмотренного выше воздействия на климат имеет целью предотвратить или ослабить изменения климата, ко­ торые могут возникнуть через несколько десятилетий под влия­ нием хозяйственной деятельности человека. Такое воздействие, однако, не является пределом, доступным для современной тех­ ники. По-видимому, в близком будущем технически возможно осу­ ществить воздействия на климат, создающие его изменения, на по­ рядок больше колебаний климата в 20—30-х годах, т. е. обеспе­ чивающие снижение глобальной температуры на несколько

градусов.

Воздействия такого масштаба могут быть необходимы в XXI в., когда в результате значительного роста производства энергии мо­ жет существенно повыситься температура нижних слоев атмо­ сферы. Уменьшение прозрачности стратосферы в таких условиях может предотвратить нежелательные изменения климата.

Заслуживает внимания вопрос о целесообразности применения воздействий на аэрозольный слой стратосферы в ближайшие годы, когда влияние хозяйственной деятельности человека на климат будет сравнительно небольшим.

Воздействия, снижающие среднюю температуру нижних слоев атмосферы на несколько градусов, приведут к громадному изме­ нению природных условий, по-видимому, неблагоприятному для сельскохозяйственной деятельности человека на большей части земного шара. Это, вероятно, исключает возможность их приме­

нения.

Наряду с этим вполне возможно, что воздействия, снижаю­ щие среднюю температуру на несколько десятых градуса, будут

264 Глава 7. Климат будущего

экономически целесообразны. При применении таких воздействий можно будет предотвратить естественные колебания климата, свя­ занные с повышением глобальной температуры. Как отмечено выше, при таких колебаниях климата заметно уменьшаются суммы осадков во многих районах недостаточного увлажнения умеренных широт. Поэтому возможность предотвратить подобные изменения климата может иметь практическое значение.

Отметим, что указанные воздействия, по-видимому, можно осуществлять при отсутствии прогнозов естественных изменений концентрации атмосферного аэрозоля, используя текущую инфор­ мацию об этой концентрации, которая получается по данным вы­ сотных самолетных зондирований или по материалам наземных актинометрических наблюдений. Поскольку средние концентрации аэрозоля в стратосфере в естественных условиях изменяются срав­ нительно медленно, можно регулировать масштаб воздействий для поддержания концентрации на оптимальном уровне, прекращая воздействие, когда оно достигает необходимой величины под влия­ нием естественных процессов.

Остановимся теперь на возможности изменения климата в ре­ зультате массовых полетов в стратосфере. Этот вопрос обсуждался в коллективной монографии американских ученых (Man’s Impact on the Global Environment, 1970), где указано, что в 1985—1990 гг.

в гражданской авиации будет использоваться около 500 самолетов, летающих на высотах 18—20 км. Продукты сгорания топлива этих самолетов будут обеспечивать ежегодное поступление в ниж­ нюю стратосферу всего земного шара 63 тыс. т сернистого газа, что соответствует массе сульфатных частиц около 100 тыс. т.

При рассмотрении этого вопроса следует принять во внимание что, как отмечалось выше, длительное изменение радиации ока­ зывает гораздо большее влияние на термический режим атмо­ сферы, чем такое же изменение, имевшее место в течение корот­ кого периода времени.

Считая, что основная часть стратосферных полетов будет про­ водиться в северном полушарии, величину ежегодного увеличения массы сульфатных частиц в стратосфере этого полушария можно считать равной 70—80 тыс. т, а общую массу аэрозоля — не менее

200 тыс. т.

При среднем времени существования частиц в аэрозольном слое, равном двум годам, стратосферные полеты увеличат концент­ рацию этих частиц в северном полушарии примерно на 400 тыс. т, что составляет более половины количества аэрозоля, которое мо­ жет вызвать рассмотренное выше существенное изменение кли­ мата. Очевидно, что эта величина не может считаться незначи­ тельной.

Заслуживает внимания возможность воздействия на климат путем изменения содержания серы в топливе стратосферных само­ летов. Приведенный выше расчет основан на предположении об

использовании в стратосферных полетах топлива со сравнительно низким содержанием серы, равным 0,05% (Man’s Impact on the Global Environment, 1970). Авторы этого расчета считали возмож­ ным также применение топлива с количеством серы до 0,3% и топлива, в котором количество серы понижено до 0,01%, хотя по­ следний вид топлива, по-видимому, будет дороже, чем топливо с большим содержанием серы.

Из приведенных выше данных следует, что изменение количе­ ства серы в топливе от 0,01 до 0,30% соответствует изменению

к заметным изменениям климата, то вторая превосходит измене­ ние количества аэрозоля, которое необходимо для решения задачи воздействия на климат. В связи с этим возникает перспектива осуществления воздействия на климат без больших дополнитель­ ных затрат путем изменения марки топлива, используемого стра­ тосферной авиацией. При понижении концентрации аэрозольных частиц в результате естественных причин для сохранения стабиль­ ных климатических условий целесообразно применять топливо с большим содержанием серы, при высокой концентрации частиц — с малым количеством серы.

Таким образом, в перспективе имеется возможность рассматри­ вать стратосферную авиацию как один из элементов системы гло­ бального регулирования климата. Этот вопрос требует дополни­ тельного изучения в связи с необходимостью выяснения влияния стратосферных полетов на другие элементы метеорологического режима, включая содержание озона в стратосфере.

Можно заключить, что организация массовых полетов в стра­ тосфере может привести к изменению климатических условий, ко­ торое необходимо оценить заранее.

Из приведенных выше данных видно, что сравнительно не­ большое изменение в балансе массы стратосферного аэрозоля мо­ жет существенно изменить температуру воздуха у земной поверх­ ности. Следует отметить, что такое влияние в сотни раз сильнее влияния изменений в приходе и расходе массы тропосферного аэро­ золя на термический режим нижних слоев воздуха.

Это различие определяется следующими причинами:

1)длительность жизни частицы в стратосфере в 50—100 раз больше средней длительности существования аэрозольной частицы

втропосфере;

2)в стратосфере практически отсутствуют гигантские частицы,

которые составляют около половины массы тропосферного аэрозоля и из-за своего малого влияния на радиационный режим примерно вдвое снижают оптическую активность аэрозоля в тропо­

сфере; 3) при наличии облаков, которые в среднем закрывают около

половины поверхности Земли, влияние тропосферного аэрозоля