Сетевая библиотекаСетевая библиотека

Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?

Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?
Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? Игорь Кароль Андрей Киселев Наука и мир Климат на нашей планете меняется, причем весьма интенсивно. С этим уже не поспоришь… Растет число природных катастроф, и эти изменения касаются каждого жителя Земли, лишая его возможности занять удобную позицию стороннего наблюдателя. А потому как никогда актуальна задача разобраться в причинах происходящего: ведь если установить механизмы, определяющие поведение климатической системы Земли, мы сможем прогнозировать будущие изменения климата, а со временем и направлять их в желаемое русло. Игорь Леонидович Кароль, Андрей Александрович Киселев Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? Одобрено к изданию Научно-редакционным советом проекта «Наука и мир» Председатель – В. А. Садовничий Заместители председателя – С. Н. Деревянко и И. В. Ильин Члены совета: И. А. Алешковский, А. И. Андреев, Н. Н. Андреев, К. В. Анохин, Е. Л. Вартанова, К. С. Деревянко, Б. Л. Еремин, Ю. И. Журавлев, А. А. Зализняк, Ю. П. Зинченко, Ю. А. Золотов, Д. С. Ицкович, А. А. Каменский, В. П. Карликов, С. П. Карпов, Н. С. Касимов, А. Е. Кибрик, М. П. Кирпичников, Н. П. Красинская, М. А. Кронгауз, В. В. Лунин, Е. И. Майорова, Д. Е. Перушев, А. Е. Петров, В. А. Плунгян, Д. Ю. Пущаровский, В. А. Рубаков, В. П. Скулачев, В. Б. Спиричев, В. А. Твердислов, В. А. Ткачук, В. И. Трухин, А. М. Черепащук, С. О. Шмидт, Я. Л. Шрайберг, А. Ю. Шутов, В. Л. Янин Научно-просветительский проект «Наука и мир» основан в 2009 году Ведущий редактор проекта Н. Красинская К читателю Наша книга посвящена современному климату Земли. На эту тему в последние годы написано немало. И потому закономерен вопрос о целесообразности нового к ней обращения. Приведем следующие аргументы в пользу необходимости написания книги нами, климатологами, именно сегодня. Во-первых, климат меняется, причем весьма интенсивно. Подтверждением тому служат не только наши субъективные ощущения, но и получаемые на бесперебойной основе данные наблюдений (мониторинга, в том числе спутникового). Растет число природных катастроф. Изменения эти происходят вокруг нас, в среде, в которой мы живем, а следовательно, касаются непосредственно каждого, лишая возможности занять удобную позицию стороннего наблюдателя. Выражаясь языком капитана Жеглова, здесь у нас «любовь с интересом»… Во-вторых, как никогда, насущна задача отыскания причин изменений климата. Если надежно установить механизмы, определяющие поведение климатической системы Земли, можно успешно прогнозировать будущие изменения климата, а со временем, возможно, и направлять эти изменения в желаемое русло. Заманчиво? Безусловно, однако… Есть немало тем, вызывающих живой общественный интерес, сведущими в которых себя мнит большинство людей. Говорят, в голове каждого из 190 миллионов бразильцев имеется свой вариант непобедимой национальной футбольной сборной, а любой итальянец уверен, что только ему известен «самый правильный» рецепт приготовления пиццы. О причинах изменений современного климата, конечно, высказываются не все, но «свежий взгляд» на проблему обнародуют астрономы и географы, математики и историки… чиновники и экстрасенсы. Особой любовью тема пользуется у геологов. Несомненно, у климатологов нет эксклюзивного права на формирование гипотез о пружинах механизмов, изменяющих климат. Однако всякая гипотеза должна быть не просто сформулирована, но и подкреплена фактами и расчетами, она также не должна входить в противоречие с имеющимися основами климатологии. К сожалению, специалисты в смежных дисциплинах, что вполне объяснимо, «не держат руку на пульсе» последних изысканий в области климатологии и метеорологии, в результате чего их «астрономическая» или «геологическая» теории обязательно уходят корнями в поле деятельности автора, а для подкрепления теорий выбираются исключительно согласующиеся с ними данные мониторинга. Мы умышленно не персонифицируем и не излагаем подобные теории, памятуя об опыте древних, постановивших забыть Герострата… В-третьих, наша книга – резонанс на «труды праведные» многих журналистов и деятелей искусства. Общественный интерес к проблеме изменений климата порождает соответствующее предложение. И вот уже на гребне этого интереса появляется несколько фильмов-катастроф, а телепередачам и статьям в печатных СМИ несть числа. При этом квалифицированные оценки специалистов воспринимаются буднично, без особых эмоций, и остаются почти незамеченными. Зато чем нелепее высказываемая «теория», тем выше ажиотаж в прессе. Понятно, что здесь главенствует принцип «деньги не пахнут». Но людям в нашей стране, традиционно привыкшим доверять печатному слову, тем самым наносится серьезнейший вред. Кто-то принимает такие публикации за чистую монету, кто-то, напротив, теряет доверие и составляет нелицеприятное мнение об «ученых», несущих несусветную чушь, кто-то, ознакомившись с двумя-тремя противоречащими друг другу нелепицами, и вовсе перестает интересоваться проблемой («пусть сначала они договорятся между собой, а потом дают интервью»). Очевидно также, что поток подобных спекулятивных опусов ведет к неизбежному падению и без того невысокого в России престижа науки и просто знаний. И наконец, несмотря на обилие посвященных климату публикаций «малого формата» (заметок, интервью, статей и т. д.), существует … дефицит книг на эту тему. Именно книг, так как только в формате книги можно предоставить читателю необходимый объем информации и охватить весь клубок взаимодействий процессов, оказывающих влияние на климат нашей планеты. Руководствуясь вышеупомянутыми мотивами, в этой книге мы постарались рассказать «правду, только правду и ничего кроме правды» о современном климате Земли, явлениях, формирующих климат, тенденциях его изменения, влиянии состояния природной среды на различные сферы человеческой деятельности, о том, каким образом скорее всего изменится климат в недалеком будущем и как это отразится на нашей повседневной жизни. В ней вы не найдете дутых сенсаций и рассказа о новых фундаментальных законах, сравнимых по значимости, к примеру, с законом всемирного тяготения. Зато узнаете о вехах в развитии климатологии, а также о многих любопытных фактах, случившихся на ее историческом пути. Благодарности Мы признательны сотрудникам Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова кандидатам физико-математических наук Юрию Эдвиновичу Озолину и Елене Ивановне Хлебниковой, ставшим первыми читателями и благожелательными критиками нашей рукописи. В книге использованы иллюстрации из отчетов Межправительственной группы экспертов по изменению климата 2001 и 2007 гг. (http://www.ipce.ch/) и Доклада об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2010 г. (http://www. meteorf.ru/). Глава первая Говорим «климат» – подразумеваем «погода» Не браните погоду – если бы она не изменялась, девять человек из десяти не смогли бы начать ни одного разговора.     Ф. Хаббард Климат в Ирландии изумительный, но погода его гробит.     Тони Батлер Погода и климат: в чем разница между ними Давно замечено: если нужно поддержать разговор, а тему, как назло, не найти – говори о погоде. Вариант беспроигрышный: ведь все присутствующие – лица заинтересованные и до некоторой степени сведущие. В последние же годы интерес людей к данному фактору, в немалой степени определяющему наше бытие, многократно усилился, чему есть вполне объективные предпосылки. Во-первых, еще совсем недавно погода воспринималась людьми как данность свыше, не зависящая от их воли и вынуждающая к себе приспосабливаться. Но сегодня, во многом благодаря настоящему прорыву в областях компьютерных технологий и спутниковых наблюдений, перед человечеством открылись возможности всестороннего изучения процессов формирования погоды и климата, причин их изменений, а также в какой-то степени, пусть ничтожно малой, влиять на эти процессы (в качестве примера – предотвращение осадков во время празднования дней города в Москве и Санкт-Петербурге). Во-вторых, резко возросло количество людей, совершающих дальние поездки – деловые, туристические и пр. К слову, только в 2010 и 2011 гг. зарубежные вояжи совершили около 12 и 14,5 миллионов, соответственно, т. е. каждый двенадцатый из наших соотечественников. Во избежание неприятных сюрпризов, путешествующий должен соотнести свои программу и экипировку с особенностями погодных условий в месте пребывания. В-третьих, накопленная в ходе исследований информация свидетельствует о том, что климат меняется, более того, темпы его изменения в ХХ в. были беспрецедентно высоки. Последнее обстоятельство стало предметом серьезной обеспокоенности, и сегодня о климате не рассуждает только ленивый. Однако с сожалением приходится констатировать явное несоответствие между важностью проблемы (ведь речь идет о «здоровье» среды нашего обитания!) и той легковесностью суждений, а порой некомпетентностью, которыми при обсуждении ее грешат многие, в том числе и весьма солидные издания и телеканалы. Весомый вклад в «подогрев» интереса к данной проблеме внесло и «жаркое лето 2010». Чуть ли не каждый день приносил на европейскую территорию России рекордные температуры: +38,9 °C – 28 июня в Воронеже; +35,5 °C – 21 июля в Туле; +38,1 °C – 27 июля в Орле; 28 июля пал державшийся с 1981 г. московский рекорд – теперь он равен +38,2 °C. А 12 июля на калмыцкой метеостанции Утта зарегистрирована максимальная за весь период наблюдений в стране температура +45,4 °C. В Санкт-Петербурге рекорд устоял, но от жары треснула стеклянная Башня Мира, подаренная Францией к 300-летнему юбилею города. Неудивительно, что о «глобальном потеплении» в этот период говорилось повсюду. Между тем считать тот почти двухмесячный изнуряющий зной очевидным свидетельством глобального потепления климата оснований не больше, чем, скажем, заранее объявить чемпионом команду, победившую в первых пяти играх из запланированных пятидесяти. Парадокс? Отнюдь! Дело в том, что в обиходе понятия «погода» и «климат» зачастую отождествляют, а это неверно. Чуть вольно перефразируя известнейшего российского специалиста в области геофизики академика А. С. Монина, можно определить климат как совокупность всех погодных условий, наблюдавшихся на конкретной территории за некоторый продолжительный промежуток времени. При этом такой «конкретной территорией» может быть как отдельная область (к примеру, Вологодская), так и вся Западная Сибирь или Южная Америка, а также и весь земной шар. Но даже школьник знает: холодно – на севере и зимой, жарко – на юге и летом, в тропиках – зной и ливни, а в полярных зонах – круглый год снег и льды. Поэтому, обсуждая климат относительно небольшого в глобальном масштабе региона, мы можем получить достаточно полное представление о его характерных чертах и особенностях. Однако описание материкового и тем более глобального климата неизбежно чревато утратой многих нюансов (например, среднегодовая средняя по земному шару температура воздуха у поверхности, рассчитанная с учетом, в частности, антарктической и тропической температур, сродни средней температуре по больнице) и пригодно только для изучения самых общих закономерностей климата нашей планеты. Вышеприведенное определение климата содержит довольно расплывчатое указание на срок наблюдений. Действительно, какой промежуток времени следует считать «продолжительным» – месяцы, годы, десятилетия? Он не должен быть чересчур коротким, поскольку тогда изменениями климата придется признать и смену времен года, и аномально жаркий (или холодный) год, даже если многие предшествующие ему и последующие годы были близки к норме. С другой стороны, использование достаточно длительного промежутка времени (например, столетия) тоже вряд ли возможно хотя бы из-за отсутствия разветвленной сети станций, производивших по всему миру каждодневные измерения в течение такого срока. Следовательно, оптимальный выбор находится где-то посередине. Согласно рекомендациям Всемирной метеорологической организации (ВМО), оптимальным полагается период продолжительностью 30 лет, а современным состоянием климата считается его среднее состояние за 1961–1990 гг. Почему отсчет по сей день ведется именно до уже далекого 1990 г., а, например, не до 2000 или 2010 гг., вправе поинтересоваться читатель. В достаточно консервативной ВМО традиционно считается, что негоже менять границы выбранного интервала ранее его завершения (как, скажем, недопустимо сообщить футболистам в перерыве матча, что второй тайм будет играться по баскетбольным или хоккейным правилам). В этом есть определенный резон: результаты различных исследований приводятся к некоторому единому хорошо известному всем «знаменателю», и их удобно сравнивать и анализировать. Так что появления новых границ тридцатилетнего периода, официально рекомендованного ВМО, придется подождать до 2020 г., хотя в научной периодике уже сейчас встречаются работы, в которых в качестве «стандартного» рассмотрен период 1980–2010 гг. Несомненно, выбор промежутка времени несет в себе элемент произвола: почему именно 30 лет? Начиная с Международного геофизического года, проводившегося под эгидой ООН в 1957 г., мировое сообщество предприняло успешные шаги по созданию и развитию всемирной системы контроля за окружающей средой, включающей регулярный мониторинг метеорологических элементов – температуры воздуха, атмосферного давления, скорости и направления ветра, количества осадков и т. д. – не только у земли, но и на высотах. Таким образом, к моменту принятия вышеуказанной рекомендации уже существовал достаточно полный банк метеорологических данных, охватывавший приблизительно тридцатилетний период измерений. Дав волю фантазии, можно сравнить климат с толстенным отрывным календарем, рассчитанным на 30 лет, где каждый листок соответствует погоде в означенный на нем день. Исходя из данного определения, скоропалительные выводы обычных людей, измаявшихся на солнцепеке («Вот оно глобальное потепление, а дальше будет еще хуже!») или продрогших в 30-градусный мороз на автобусной остановке («И они говорят о каком-то глобальном потеплении?!») спишем на всплеск эмоций и на… вполне простительную некомпетентность. В этих репликах, заметьте, главным является слово «потепление» (здесь и сейчас!), а определение «глобальное» добавляют, не задумываясь, следуя укоренившемуся словесному штампу. Однако в устах специалиста оба этих слова одинаково важны. В 2010 г. среднеиюльская температура воздуха в Москве превзошла среднеклиматическую (т. е. среднюю в июле за 30 лет) на 7,8 °C – это очень много, но… Чтобы получить «июльскую добавку» к московской среднегодовой температуре, нужно разделить ее на число месяцев в году (7,8 °C: 12 = 0,65 °C). Если же мы захотим найти долю этой «июльской добавки» в глобальной среднегодовой температуре, нам придется снова делить – теперь на количество разбросанных по всему миру метеорологических станций, исчисляемых тысячами, и в результате доля эта окажется ничтожно мала. В то же время измерения показали рост глобальной среднегодовой температуры – той самой, которая сродни «средней по больнице» – с начала ХХ в. по настоящее время приблизительно на 0,7 °C (рис. 1), а это означает, что устойчивое увеличение температуры зафиксировано на большинстве действовавших в течение прошлого столетия метеостанций. Специально отметим: именно на большинстве, поскольку на земном шаре найдутся регионы, в которых не наблюдалось уверенного роста среднегодовой температуры, хотя в среднем по всему земному шару среднегодовая температура возрастала. Рис. 1. Изменение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха относительно средней за 1961–1990 гг. Усредненная кривая, кружки – значения отдельных лет Резюмируем сказанное. В течение прошлого столетия среднегодовая температура у поверхности Земли в каких-то географических точках росла быстрее, в каких-то – медленнее, иногда и вовсе убывала. Рост этот не был монотонным: после нескольких лет увеличения температура могла снижаться, затем снова возрастать и т. д. (рис. 2). Но когда все данные о среднегодовых температурах «на местах» были собраны воедино и по ним была найдена среднегодовая температура – средняя по всей поверхности земного шара, оказалось, что она заметно возросла. И вот это явление (и только его!) климатологи называют «глобальным потеплением климата». Рис. 2. Средние годовые аномалии температуры приземного воздуха (°С) для регионов России за 1936–2010 гг. Усредненные кривые; прямые линии иллюстрируют темпы роста температуры в период 1976–2010 гг. Теперь еще раз обратимся к светской беседе о погоде. Почти наверняка она будет содержать «добрые» слова в адрес синоптиков. По мнению неизвестного острослова, «синоптик – человек, который ошибается только один раз, зато каждый день». Ему вторит вполне известный Ален Шеффилд: «Метеорология – научное обоснование неверных прогнозов». Пожалуй, ограничимся этими двумя суждениями, хотя на эту же тему высказывались такие великие остроумцы, как Оскар Уайлд, Марк Твен, Джером Клапка Джером, Станислав Ежи Лец. Безусловно, жертвами неудачных прогнозов погоды становились все, не минула чаша сия и авторов данной книги. Однако это обстоятельство не помешает нам сказать несколько слов в защиту людей, ежедневно кропотливо собирающих, обрабатывающих и анализирующих оперативную метеорологическую информацию, чтобы в урочный час сообщить нам, каких сюрпризов можно ждать от погоды в самое ближайшее время. Начнем с банального: точных прогнозов погоды несравненно больше, чем ошибочных. Косвенным признанием этого факта служит то, что даже после провальных прогнозов мы проявляем интерес к очередному и в соответствии с ним зачастую планируем свои действия. Признайтесь, стали бы вы так поступать, если бы удача сопутствовала синоптическим оракулам лишь в одном-двух случаях из десяти? Следующая мысль, скорее всего, вызовет искреннее недоумение читателя: абсолютно верный прогноз довольно часто воспринимается потребителем как ошибочный. И вот почему. Обычно прогноз дается для достаточно больших площадей – городов, областей или крупных районов. Конечно, если имеет место сплошная облачность, ошибиться в ближайших перспективах данной местности проблематично. А если облака на небе – все наперечет и на каждую деревню их не хватает? Как в этом случае отреагируют на прогноз «дожди» жители окропленной дождем деревни «А» и не дождавшейся осадков соседней деревни «Б»? По-разному… Потребитель всегда прав? Вряд ли в обозримом будущем кому-либо из нас доведется услышать такой прогноз: «Завтра в Кривоколенном переулке города N-ска сильный дождь будет идти с 15 час. 34 мин. до 17 час. 18 мин.». Увы, подобный точечный прогноз – несбыточная мечта. Тем не менее время от времени синоптики ошибаются. Постараемся разобраться почему. Существуют три разных подхода к составлению прогноза. Первый из них основан на решении системы дифференциальных уравнений. Уравнений настолько сложных, что получить их точное решение фактически невозможно. Помогают компьютеры, позволяющие ценой некоторых упрощений найти решение, «близкое к правде». Во втором подходе прогноз зиждется на мастерстве и опыте конкретного синоптика, который, анализируя карты текущего (измеренного) состояния наиболее важных метеорологических величин («предикторов») и их изменчивость, выносит свой «вердикт». Третий подход – «примитивистский». В несколько упрощенном виде суть его такова. На метеорологических станциях по нескольку раз в сутки измеряются многие характеристики: температура, влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, балл облачности и др. Затем все полученные данные архивируются (с недавних пор они заносятся в мощный компьютер – не только текущие, но и датированные несколькими десятилетиями ранее). Для составления прогноза на следующий день компьютер перебирает все имеющиеся в архиве варианты в поисках совпадения метеорологических характеристик, имеющих место на текущий день. При достаточно обширном архиве подобное соответствие отыщется наверняка. Предположим, совпали метеорологические характеристики 4 июля 2012 г. и 18 июня 1982 г. Извлекаем из архива данные на 19 июня 1982 г., и прогноз на 5 июля 2012 г. готов! Идея третьего подхода не нова, однако его реализация стала возможной только после внедрения быстродействующих вычислительных систем, ведь оперативно перебрать десятки тысяч наборов ежедневных данных человеку не под силу. Хотя в общем-то народные приметы можно рассматривать в качестве предтечи третьего подхода. Меньше всего неприятностей доставляет синоптикам ситуация, когда над регионом господствует циклон или особенно антициклон (области низкого и высокого давления, соответственно). Куда менее определенна ситуация, при которой равносильные циклон и антициклон соперничают между собой; она становится совсем скверной, если это соперничество затягивается надолго. В последнем случае погода может даже измениться несколько раз в течение одного дня. Ну, и куда, скажите, при этом скрыться бедному синоптику от праведного народного гнева? Отчасти спасти положение может наработанная годами интуиция профессионала. Другой источник синоптических ошибок – большая заблаговременность прогноза. Практика показала, что прогноз на три дня чаще в целом соответствует действительности, прогноз на 5–7 дней – не исключено, что оправдается, но вот прогнозу на 10 дней и более может доверять лишь человек, непоколебимо убежденный в исключительном даре ясновидения у сотрудников Гидрометцентра. Проиллюстрируем ситуацию с заблаговременным прогнозом примером стрельбы по мишени (рис. 3). При выстреле траектория пули неизбежно отклонится от прямой, соединяющей кончик оружия и центр мишени – точку «0». Пока мишень расположена достаточно близко, пуля все равно попадет в ее габариты. Однако по мере отдаления мишени от стрелка расстояние между местом попадания пули в мишень и точкой «0» будет увеличиваться, и в какой-то момент пуля пройдет мимо мишени. Теперь представим, что три изображенные мишени – это реальные погодные условия, которые будут иметь место через 1, 5 и 10 дней соответственно, а траектория пули – прогноз, сделанный сегодня на базе данных вчерашних измерений. При увеличении срока заблаговременности прогноза заложенные в самом прогнозе ошибки[1 - Прогноз на каждый следующий день строится исходя из того, что данные за предыдущий день безошибочны (что, разумеется, не так!). Примитивный пример: пусть за первые 4 дня накопилась ошибка в 1 °C, но при прогнозе на пятый день температура за четвертый день считается истинной (т. е. ошибка равна нулю), сам прогноз пятого дня даст свою относительно небольшую ошибку, например 0,3 °C, однако с учетом ошибки, накопленной за предыдущие дни, общая погрешность будет уже 1 + 0,3 = 1,3 °C и т. д.] к десятому дню накапливаются, и его качество стремительно падает. Рис. 3. Иллюстрация зависимости степени точности заблаговременного прогноза от его сроков По мнению практикующих синоптиков, 15 дней – предельный срок, на который теоретически допустимо давать прогноз (в данном случае речь идет о европейской территории России. В других местах с более или менее устойчивой погодой эти сроки могут быть иными, а вот на Мальдивских островах практически круглый год сохраняется одна и та же температура – около +28 °C, и тамошним жителям прогноз погоды вообще ни к чему…). Почему именно 15 дней? Строгое обоснование этого утверждения требует знания основ гидромеханики. Не будем вдаваться в детали и опять прибегнем к аналогии. Каждый из нас, наблюдая за летящим самолетом, видел тянущийся за ним шлейф, состоящий из продуктов сгорания в авиамоторах. Сначала такой шлейф представляет собой четкую линию, но вскоре линия начинает размываться, а через несколько минут и вовсе исчезает из поля зрения. В момент выхода из сопла самолета все частицы продуктов сгорания в основном продолжают двигаться с одинаковой скоростью и в одном направлении, совершая упорядоченное движение. Однако далее эти вновь прибывшие в атмосферу частицы, подвергшись воздействию совершенно неупорядоченных турбулентных потоков, перемешиваются с фоновыми воздушными частицами, и шлейф перестает существовать. Причин возникновения турбулентных движений великое множество, например неровности и неоднородность земного рельефа, лесные пожары и пр. В большинстве случаев в атмосфере упорядоченные потоки имеют бо?льшую мощность, нежели турбулентные, но это не означает, что последние не играют заметной роли в атмосферной циркуляции. При существующих в атмосфере упорядоченных скоростях движения воздушных потоков упорядоченное движение разрушается турбулентным приблизительно за те самые 15 дней. А прогнозировать поведение образовавшегося хаотического движения – занятие бесперспективное. Возвращаясь к погоде на европейской территории России, отметим, что для этого региона характерно регулярное вторжение воздушных масс с запада, с Атлантического океана. В случае передвижения воздушной массы над сушей Западной Европы, она прогревается и «усыхает». Если же ее маршрут пролегает над Скандинавией (1) или Средиземноморьем (2), она становится более влажной и холодной (в первом случае) или влажной и теплой (во втором). Типичной для европейской территории России является ситуация, когда одна такая масса «сменить другую спешит, дав» конкурентке 2–4 дня. Все вышесказанное относится к прогнозу погоды. А как обстоят дела с прогнозированием климата? Предвидим отповедь внимательного читателя: «Если “они” с грехом пополам прогнозируют погоду на завтра, расписываются в полном бессилии прогнозировать ее даже на месяц, то что уж говорить о сроках, исчисляемых годами и десятилетиями!» Так вот, предвосхищать изменения климата в некотором смысле проще, чем предсказывать изменения погоды. Все явления, происходящие в воздухе, в воде и на земной поверхности, строго подчиняются законам природы, многие из которых нам хорошо известны. А следовательно, если составленный прогноз не войдет в противоречие ни с одним из таких законов, у него очень хорошие шансы реализоваться. Обратите внимание, в отличие от прогноза погоды, в данном случае речь не идет о реализации прогноза к какой-то конкретной дате. Предсказываемое может произойти несколькими годами раньше или, наоборот, запоздать, но оно произойдет обязательно! Поясним этот тезис на простом примере. Мальчики пустили по реке два кораблика (рис. 4). Первый из них, оказавшись на середине реки, беспрепятственно проследовал вниз по течению до условного пункта «А», второй же прибился к заводи, далее попал в водоворот и лишь затем, много позже первого, достиг того же пункта «А». Но достиг! Рис. 4. Иллюстрация к вопросу об успешности климатического прогноза Говоря о прогнозах изменения климата, необходимо упомянуть о двух важных аспектах. Во-первых, существуют предельные сроки, на которые в принципе возможно давать такие прогнозы, исходя из сведений о состоянии климата на сегодняшний день и в прошлом (климатологи в этом случае говорят о предсказуемости климата). Понятно, что несколько десятилетий вполне укладываются в такие временны?е пределы, а вот оценить, каким будет климат в IV тысячелетии, едва ли реально. Предсказуемость климата, совершенно очевидно, зависит от того, насколько точно нам известно его начальное состояние (предсказуемость I рода)[2 - Для хорошего прогноза нужны точные величины температуры воздуха у земной поверхности, воды у поверхности и на глубине, влажности, распределения облаков по горизонтали и вертикали, давления воздуха, концентрации химических составляющих воздуха и воды и т. д. и т. п. в начальный – стартовый – момент времени. И все это в каждой из тысяч точек на земном шаре. Располагать достоверными данными обо всем этом абсолютно нереально! Но если мы заложим вместо них в модель «плохие» данные, то и прогноз будет плохим.], и от внешних воздействий на него в период, охватываемый прогнозом (предсказуемость II рода). Для иллюстрации сказанного сравним предсказуемость климата с изменением состояния финансов некоего бизнесмена в течение ближайших трех месяцев. Размер его банковского счета через три месяца будет определяться суммой, находившейся на его счете сегодня, т. е. в начальный момент времени (аналог предсказуемости I рода), а также доходами и расходами в эти три месяца, как плановыми, так и, возможно, неожиданными. Произвести калькуляцию плановых операций, как правило, не трудно, хуже, когда возникают незапланированные («внешние») обстоятельства (аналог предсказуемости II рода). Последствия таких внешних обстоятельств могут быть как незначительными и кратковременными, так и существенными, приводящими к банкротству. При реальном прогнозировании изменений климата мы всегда знаем лишь его приближенное начальное состояние, а о многих будущих внешних воздействиях нам ничего не известно. Например, невозможно предвидеть где, когда и какой силы будут извержения вулканов в 2020 г. Здесь мы подходим ко второму важному аспекту: прогноз представляет собой оценку изменений климата под действием «неслучайных» процессов («калькуляцию плановых операций» в вышеприведенном примере). Однако случайные процессы могут весьма заметно исказить эту оценку! И тут на помощь приходит математическая статистика. В частности, продолжая пример с вулканическими извержениями, отметим наличие баз данных, содержащих информацию об их ежегодном количестве, месте, размере и химическом составе вулканических выбросов, а также оценки воздействия этих выбросов на климат, в первую очередь на температуру воздуха. Тогда предположив, что вулканическая активность в 2020 г. будет близка к средней за последние десятилетия, мы можем внести коррективы в оценку будущего изменения климата. Однако в реалиях вулканическая активность 2020 г., вероятно, окажется несколько отличной от такой средней величины. А потому любой климатический прогноз представляет собой оценку наиболее вероятного изменения климата. Чтобы дать представление о менее вероятных, но вполне возможных отклонениях от такой оценки, одновременно указываются пределы погрешностей климатического прогноза. Разумеется, рано бить в литавры – вероятность ошибочности климатического прогноза достаточно велика. Во-первых, человеку, как известно, свойственно ошибаться. Он может недооценить или переоценить масштабы какого-либо явления или его интенсивность или банально «потерять» нолик в расчетах. Во-вторых, еще замечательный французский математик Пьер Лаплас однажды сказал: «То, что мы знаем, – ограничено, а то, чего не знаем, – бесконечно». Поэтому незнание каких-то законов природы на современном этапе развития науки может временно привести нас к неверным умозаключениям. При всем при этом необходимо понимать, что успешное прогнозирование изменений климата имеет исключительную важность, так как с оглядкой на предполагаемое его состояние уже сегодня принимаются многие хозяйственные и политические решения. Итак, надеемся, вы почувствовали разницу между понятиями «погода» и «климат». Оставим заботы о состоянии погоды Гидрометцентру и продолжим наш рассказ о климате. Глава вторая Система, без которой нам не жить Природа во всем действует постепенно, и больше тайно, чем открыто. Отношения и влияния здесь глубже и проще, чем кажутся при своем разнообразии, простираются удивительно далеко и чреваты последствиями.     К. Риттер Климатическая система земли По состоянию какой части природной среды люди судят о климате? Попробуйте с таким вопросом обратиться к случайному (расположенному к диалогу) прохожему. Почти наверняка его ответ будет кратким и безапелляционным: «Конечно, атмосферы!» Аргументы? – «Они очевидны. Температура, влажность, давление какой субстанции характеризуют климат? Атмосферного воздуха. Ветер – результат движения атмосферных воздушных масс. Ареал носителей осадков – облаков – снова атмосфера!» А температура воды в ближайшем водоеме, например в озере? – «Что ж, в купальный сезон это тоже немаловажно: озеро – не бассейн с подогревом, вода в нем нагревается опять же через атмосферу…». Если подходить с позиций обывателя (в изначальном, не уничижительном смысле этого слова), так оно и есть. Он, обыватель, имеет полное право не вникать в «климатологическую кухню», а пользоваться информацией, «приготовленной» специалистами. Но наш-то с вами путь лежит прямо на эту самую «кухню». Достаточно очевидно, что климат тесно связан с особенностями границы атмосферы и поверхности Земли – подстилающей поверхности (суши с различными видами растительности и рельефа, океанами, морями и реками). Будет климат «сырым» или «сухим» зависит от близости водоемов или пустынь, свою специфику имеет горный климат и т. д. Климат – продукт целой системы. Природную среду, в которой мы живем и в которой формируется климат нашей планеты, обычно называют климатической системой Земли. Климатическая система включает в себя не только атмосферу, но и гидросферу (все океаны, моря, озера, реки), и литосферу (сушу), и криосферу (снег, морской и горный лед, а также лед, содержащийся в материковых щитах Гренландии, Антарктиды и полярных островов, и, кроме того, «вечную мерзлоту», захватывающую, представьте, /3 российской территории), и, наконец, биосферу, объединяющую все виды живого. Все эти составляющие климатической системы находятся в тесной связи друг с другом, обмениваясь энергией и массой. Классическим примером такого обмена служит круговорот воды в природе. Благодаря способности к фазовым переходам, вода присутствует в климатической системе в разных ипостасях. Водяной пар и мельчайшие облачные частицы являются «полномочными представителями» воды в атмосфере, снег и лед выполняют ту же роль в криосфере, гидросфера по самой своей сути – царство воды, даже тела многих живых организмов в значительной степени (человека – на 70–80 %) состоят из воды. Каждый фазовый переход сопровождается потреблением или выделением тепла (энергии); при этом общая масса воды во всей системе сохраняется, но происходит перераспределение масс в ее составляющих (рис. 5 и рис. 1 цветной вклейки). Рис. 5. Составляющие климатической системы Земли и их взаимосвязи Составляющие климатической системы существенно различаются по массе: масса атмосферы, оцениваемая примерно в 5,3·10 т, меньше в 5 раз массы слоя грунта толщиной 10 м, в 15 раз уступает массе поверхностного слоя океана толщиной 240 м. Еще разительнее соотношение их суммарных теплоемкостей – 1(атмосфера): 11(грунт): 70(океан). Теплоемкость, как известно, есть мера тепловой инерции вещества. Каждому из нас случалось наблюдать, как летним вечером после захода Солнца раскаленный воздух довольно быстро становится прохладным, в то время как вода в небольшом водоеме вплоть до следующего восхода остается почти такой же теплой. Сказывается то обстоятельство, что вода сохраняет тепло в 4–5 раз эффективнее, чем воздух, т. е. обладает большей, чем воздух, теплоемкостью. Поэтому нет оснований удивляться тому, что 240-метровый поверхностный слой океана, превосходя в 15 раз по массе атмосферу, приблизительно в 70 раз лучше сохраняет тепло. Грунт также обладает большей теплоемкостью, чем воздух, хотя здесь разница заметно меньше. Выбор 10-метрового слоя грунта и 240-метрового слоя океана не случаен – именно такие слои участвуют в сезонном энергообмене (летний нагрев и зимнее их охлаждение) с атмосферой. Самые «тяжелые» сегменты климатической системы – глубинный океан с массой в 240 масс атмосферы и теплоемкостью, превышающей атмосферную в тысячу раз, и материковые льды, которые в 5,4 раза тяжелее атмосферы и обладают теплоемкостью в 11 раз выше атмосферной. Прямым следствием сказанного является то, что океаны, моря и материковые льды образуют медленно меняющиеся составляющие климатической системы, а атмосфера, поверхность суши и морские льды с относительно малой массой и низкой теплоемкостью находятся в ряду быстро меняющихся сегментов системы. Характеристикой таких изменений служит так называемое время релаксации, т. е. время перехода и установления нового климатического режима при изменении внешних условий. Меньше всего оно у атмосферы – недели и месяцы, а также у поверхностного слоя океана – годы и десятилетия. У материковых льдов из-за больших затрат тепла на таяние время релаксации составляет тысячелетия, но в настоящий период потепления климата наблюдается заметное ускорение этого процесса в ледниках Гренландии и отчасти Антарктиды, что чревато сокращением времени релаксации (исчезновения) до нескольких столетий. Изменения климатических режимов с периодами в несколько десятилетий происходят в атмосфере, биосфере, на поверхности суши и океана, отчасти «тревожа» материковые льды, однако они не захватывают глубинный океан. Только ледниковые периоды прошлого отражались на всех составляющих климатической системы и даже на верхнем слое земной коры – астеносфере, которая «проседала» под тяжестью больших ледниковых щитов Евразии и Северной Америки. Понятно, что для описания и количественных оценок взаимодействий между всеми этими сегментами климатической системы необходимо значительное число соответствующих характеристик. Поэтому физических величин, характеризующих текущее состояние климатической системы, насчитывается несколько десятков. Лишь немногие из них (температура воздуха и водоемов, скорость и направление ветра, давление воздуха и осадки) представляют повседневный интерес для обычного человека. Но для специалистов – и синоптиков, и климатологов – не менее важны: положение областей низкого и высокого давления воздуха, наличие или отсутствие облачности, типы и толщина облаков, отражательная способность (альбедо) поверхности, уровни солености и кислотности морской воды, ее температура и многие другие показатели. С тех пор как получение значений таких показателей посредством спутникового мониторинга стало рутинной процедурой, на головы специалистов регулярно сваливаются мегабайты необходимой им информации. С одной стороны, еще пару десятилетий назад об этом можно было только мечтать, но, с другой, в таком потоке чисел трудно не «утонуть». К счастью, в климатических исследованиях каждое число – результат замера высокочувствительного датчика – не имеет большой самостоятельной ценности, но важно в ряду себе подобных. Поясним эту несколько заумную фразу на простом примере. Допустим, на метеостанции в течение часа произведено 10 замеров скорости ветра, которые дали следующие результаты: В какие-то моменты ветер усиливался, в какие-то даже менял направление на противоположное, а общий разброс значений достигал 10,3 м/с. Однако если в нашу задачу не входит анализ его флуктуаций, а интересна лишь общая характеристика за весь час, то резонно использовать в качестве таковой среднее арифметическое всех приведенных замеров. В нашем примере оно равно 2,9 м/с. Два отрицательных значения, несомненно, не отражают превалировавших в этот час тенденций, но дают свой вклад в среднее значение за час (без них среднее из восьми положительных скоростей составляло бы 3,16 м/с, т. е. возросло на 9 %). В отличие от рассмотренного примера, длина ряда спутниковых измерений выражается числом со многими нулями, так что возможность осреднять данные оказывается «спасательным кругом», который позволяет климатологам «держаться на плаву» в этом океане чисел. Разумеется, вычислением среднего арифметического обработка поступающей информации не ограничивается – используется весь арсенал методов математической статистики. К сожалению, далеко не все климатические параметры можно непосредственно измерить, и для их получения приходится применять специальные методы (так называемое решение обратных задач), основанные на знании газовых законов, законов оптики атмосферы и др. При этом неизбежны погрешности в значениях таких параметров, устранить или хотя бы уменьшить которые также помогает математическая статистика. В климатической системе Земли существуют две основные периодичности: суточная (вращение Земли вокруг своей оси) и сезонная (вращение Земли вокруг Солнца), и эти периодичности формируют распределение основных климатических характеристик в пространстве и времени (см. рис. 2 цв. вклейки). Для упорядочения и систематизации этих характеристик часто прибегают к уже знакомому нам усреднению по однородным регионам и интервалам времени, обычно связанным либо с указанными периодичностями (среднесуточные, среднегодовые значения), либо с частями этих периодов (средние часовые, среднемесячные и среднесезонные величины). Среди перечисленных особо выделим месячные осреднения как в некотором смысле естественные: в природе существуют колебания, период которых близок к 30 дням. (Отчасти такие колебания могут быть обусловлены лунными периодами – «лунными месяцами».)[3 - Монин А. С. Введение в теорию климата. Л., 1982.] Этот факт «узаконивает» широко распространенные месячные осреднения почти всех климатических величин в публикациях и архивах данных измерений. Анализ периодичности флуктуаций температуры нижней атмосферы показал, что их довольно четко можно разделить на флуктуации с периодами меньше месяца (синоптические) и больше месяца (до полугода) соответственно. Не секрет, что всеобщий интерес вызывают в первую очередь события и явления, суть которых до конца неясна, а развитие проистекает у всех на глазах. Именно таковы климатические явления. Если бы климат не изменялся, едва ли он интересовал бы нас больше, чем упоминавшийся прогноз погоды жителей Мальдивов. Да и неразгаданных загадок у климатической системы осталось великое множество. (В данном случае под изменениями климата подразумевается устойчивая тенденция к изменению какой-либо из его характеристик за длительный промежуток времени.) Как мы уже знаем, увеличение среднегодовой среднеглобальной температуры приземного воздуха на 0,7 °C с начала ХХ века до настоящего времени дало основание говорить о глобальном потеплении, повлекшем попутно изменения и других климатических характеристик. Существующие же относительно кратковременные изменения будем рассматривать как колебания климата. К этой категории можно отнести и сезонные изменения климатических характеристик, и происходящую раз в два-три года (квазидвухлетнюю) смену направления переноса воздуха в экваториальной стратосфере (на высотах 15–50 км) с запада на восток или обратно, и периодическую перестройку температуры поверхности океана и циркуляции нижней тропосферы (на высотах до 15–17 км) в тропической зоне Тихого и Индийского океанов (явление Эль-Ниньо). Влияние на текущее состояние климата могут оказывать и некоторые непериодические явления природы, в частности крупные извержения вулканов, сопровождающиеся забросом значительной массы газов и аэрозолей (пепла) в стратосферу. Как показывают измерения, продолжительность их воздействия составляет от одного года до трех лет. Итак, отдельные части климатической системы Земли постоянно эволюционируют и взаимодействуют друг с другом. Давайте поговорим об этом подробнее. Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/a-a-kiselev/paradoksy-klimata-lednikovyy-period-ili-obzhigauschiy-znoy/?lfrom=334617187) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом. notes Примечания 1 Прогноз на каждый следующий день строится исходя из того, что данные за предыдущий день безошибочны (что, разумеется, не так!). Примитивный пример: пусть за первые 4 дня накопилась ошибка в 1 °C, но при прогнозе на пятый день температура за четвертый день считается истинной (т. е. ошибка равна нулю), сам прогноз пятого дня даст свою относительно небольшую ошибку, например 0,3 °C, однако с учетом ошибки, накопленной за предыдущие дни, общая погрешность будет уже 1 + 0,3 = 1,3 °C и т. д. 2 Для хорошего прогноза нужны точные величины температуры воздуха у земной поверхности, воды у поверхности и на глубине, влажности, распределения облаков по горизонтали и вертикали, давления воздуха, концентрации химических составляющих воздуха и воды и т. д. и т. п. в начальный – стартовый – момент времени. И все это в каждой из тысяч точек на земном шаре. Располагать достоверными данными обо всем этом абсолютно нереально! Но если мы заложим вместо них в модель «плохие» данные, то и прогноз будет плохим. 3 Монин А. С. Введение в теорию климата. Л., 1982.
КУПИТЬ И СКАЧАТЬ ЗА: 249.00 руб.