Некоторые прогнозные оценки
Убедившись в справедливости адиабатической теории парникового эффекта на примерах сравнения теоретических распределений температуры с реальными осреднёнными распределениями температуры в тропосферах Земли и Венеры, можно выполнить ряд прогнозных расчётов. Так, при мысленной замене азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную, но с тем же давлением 1 атм средняя приземная температура понижается (а не повышается, как это принято думать) приблизительно на 2,4 °С. Как видно из графиков (рис. 126), при этом снижаются и температуры во всей толще тропосферы. Обе кривые построены по уравнениям (53) и (55), в которых менялись только параметры, связанные с составом атмосферы: μ1 =29; μ2 = 44; α1 = 0,1905 и α2 = 0,1423, но оставались прежними влажность и поглощающие свойства атмосферы Cw + Cr = 0,12 кал/гград, а также значения коэффициента b = 1,186 1/атм, температуры Tbb = 278,8 К и давления на уровне моря рs = 1 атм.
Аналогично этому при мысленной замене углекислотной атмосферы Венеры на азотно-кислородную, но при том же давлении 90,9 атм, её поверхностная температура повышается с 735 до 931 К (с 462 до 658 °С). Отсюда видно, что насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, при прочих равных условиях всегда приводит не к повышению, а только к понижению парникового эффекта и средней температуры во всей толще планеты. Объясняется это явление просто: мольный вес углекислого газа в 1,5 раза выше, а его теплоёмкость приблизительно в 1,2 раза ниже, чем у земного воздуха. В результате, как это следует из уравнения (56), показатель адиабаты для углекислотной атмосферы α(CO2) = 0,1423 при прочих равных условиях влажной тропосферы оказывается приблизительно в 1,34 раза меньше, чем для воздуха азотно-кислородного состава α(N2+O2) = 0,1905. Увеличение же углекислым газом поглощения тепла приводит к возрастанию поправочного коэффициента Cr и, следовательно, к дополнительному уменьшению показателя адиабаты α(CO2), а это, в свою очередь, ведёт к дополнительному снижению температуры.
Физически эти, казалось бы, парадоксальные результаты объясняются тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит не радиационным путём, а благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим плотных планетных тропосфер, являются давление атмосферы и её эффективная теплоёмкость. Действительно, нагретые за счёт поглощения инфракрасного (теплового) излучения объёмы воздуха расширяются, становятся легче окружающих воздушных масс и поэтому быстро поднимаются вверх, вплоть до низов стратосферы, где они и теряют избытки тепла уже с радиационным излучением. Таким образом, насыщение атмосферы углекислым газом может привести только к ускорению конвективного массообмена в тропосфере, но не к увеличению её температуры. Кроме того, при одинаковых давлениях (массах) суммарная теплоёмкость углекислотной атмосферы всегда оказывается меньшей, чем теплоёмкость азотно-кислородной атмосферы. При этом из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и хуже сохраняет тепло на поверхности планеты по сравнению с более толстым слоем азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоёмкостью.
Рассмотрим теперь влияние антропогенного выброса углекислого газа в атмосферу на климат Земли. По разным оценкам, в настоящее время за счёт сжигания природного топлива в атмосферу поступает около 5-7 млрд т углекислого газа или 1,4-1,9 млрд т чистого углерода. Это колоссальное количество поступающего в атмосферу углерода не только влияет на состав её газовой смеси и снижение теплоёмкости, но и несколько увеличивает общее давление атмосферы. Оба этих фактора действуют в противоположных направлениях, в результате средняя температура земной поверхности почти не меняется. Она практически не изменится, даже если концентрация углекислого газа увеличится вдвое, что ожидается к 2100 г. Если же учесть, что большая часть поступающего в атмосферу углекислого газа, по закону Генри, растворяется в океанических водах и далее, при гидратации пород океанической коры, связывается в карбонатах, то может оказаться, что вместе с углеродом в карбонаты перейдёт и часть атмосферного кислорода. Тогда вместо слабого повышения атмосферного давления следует ожидать его незначительного уменьшения и, следовательно, слабого похолодания климата (но не его существенного потепления, как это предполагают ортодоксальные экологи).
К аналогичным выводам пришли и многие учёные США, изучавшие изменения климата в разных регионах Северной Америки. Согласно их данным, в настоящее время фактически не происходит никакого потепления климата. В этой связи известный американский учёный, бывший Президент Национальной Академии наук США Ф. Зейтц, пишет: «Экспериментальные данные по изменению климата не показывают вредного влияния антропогенного использования углеводородов. В противоположность этому, имеются веские свидетельства, что увеличение содержания в атмосфере углекислого газа является полезным». Ф. Зейтц подготовил Петицию учёных Правительству Соединённых Штатов Америки с призывом отказаться от Международного соглашения по глобальному потеплению климата, заключённому в Киото (Япония) в декабре 1997 г, и других аналогичных соглашений. В этой Петиции, в частности, говорится: «Не существует никаких убедительных научных свидетельств того, что антропогенный выброс диоксида углерода, метана или других парниковых газов причиняет, или может в обозримом будущем вызвать катастрофическое прогревание атмосферы Земли и разрушение её климата. Кроме того, имеются существенные научные свидетельства, показывающие, что увеличение в атмосфере концентрации диоксида углерода приводит к положительному влиянию на естественный прирост растений и животных в окружающей среде Земли». К настоящему времени эту Петицию уже подписало около 17 тыс. учёных и инженеров США.
Из приведённых оценок следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осреднённых показателей теплового режима Земли и её парниковый эффект. Более того, увеличение концентрации этого газа в земной атмосфере, безусловно, является полезным фактором, повышающим продуктивность сельского хозяйства и способствующим более эффективному восстановлению растительной массы в районах сведения лесов.
Если же глобальный климат Земли в настоящее время действительно испытывает заметное потепление, то скорее всего это окажется временным явлением, и причину надо искать в других процессах и явлениях, например в неравномерности солнечного излучения, в прецессии собственного вращения Земли, в неустойчивости океанических течений или в изменениях их циркуляции, вызванных другими причинами. Так, между осреднённой температурой земной поверхности и магнитной активностью Солнца, определяемой по числу солнечных пятен на его поверхности (т.е. по числу Вольфа), как видно из рис. 127, наблюдается сильная корреляция. Кроме того, не следует забывать, что наблюдаемое сейчас вековое потепление климата началось ещё в начале XVII в., когда о техногенных выбросах углекислого газа в атмосферу не приходилось и говорить. Причём это локальное потепление наблюдается на общем фоне похолодания (рис. 128). Что же касается потепления последних десятилетий (если оно действительно наблюдается), то это может оказаться временным явлением, развивающимся, например, на фоне общего долговременного изменения климата.
Аналогичные колебательные процессы в природе распространены достаточно широко. Можно вспомнить историю изменений уровня Каспийского моря: после многих лет обмеления в середине 80-х годов он вдруг стал подниматься, да ещё с угрожающе катастрофической скоростью. А сколько было разговоров по поводу антропогенного влияния на процесс осушения Каспия! Ведь чуть не осуществили самый дорогой из всех «проектов века» по переброске северных рек на юг. В эволюционном плане, начиная приблизительно с середины мезозоя (около 150-100 млн лет назад), происходит постепенное похолодание климата. Объясняется это удалением азота из атмосферы и связыванием его в нитратах и нитритах почвенного покрова. В результате атмосферное давление за последние 100 млн лет постепенно падало, что приводило к похолоданию климата, причём сейчас такое похолодание не компенсируется даже плавным увеличением интенсивности солнечного излучения. Об эволюционном похолодании климата говорят и многочисленные геологические данные, например полное отсутствие следов оледенений в мезозое и появление первых ледниковых покровов в Антарктиде в середине кайнозоя (около 40 млн лет назад), а в четвертичное время (приблизительно последние 1-2 млн лет) и периодических оледенений в Северном полушарии. Сейчас мы живём в межледниковом стадиале, но когда ему на смену придёт новая фаза оледенения, то следует ожидать её повышенной суровости.
Рисунок 126. Осреднённые распределения температуры в земной тропосфере:
1 — для модели стандартной земной атмосферы с азотно-кислородной воздушной смесью; 2 — для модели земной атмосферы с углекислотным составом воздуха (остальные параметры такие же, как и в стандартной модели 1).
Аналогично этому при мысленной замене углекислотной атмосферы Венеры на азотно-кислородную, но при том же давлении 90,9 атм, её поверхностная температура повышается с 735 до 931 К (с 462 до 658 °С). Отсюда видно, что насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, при прочих равных условиях всегда приводит не к повышению, а только к понижению парникового эффекта и средней температуры во всей толще планеты. Объясняется это явление просто: мольный вес углекислого газа в 1,5 раза выше, а его теплоёмкость приблизительно в 1,2 раза ниже, чем у земного воздуха. В результате, как это следует из уравнения (56), показатель адиабаты для углекислотной атмосферы α(CO2) = 0,1423 при прочих равных условиях влажной тропосферы оказывается приблизительно в 1,34 раза меньше, чем для воздуха азотно-кислородного состава α(N2+O2) = 0,1905. Увеличение же углекислым газом поглощения тепла приводит к возрастанию поправочного коэффициента Cr и, следовательно, к дополнительному уменьшению показателя адиабаты α(CO2), а это, в свою очередь, ведёт к дополнительному снижению температуры.
Физически эти, казалось бы, парадоксальные результаты объясняются тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит не радиационным путём, а благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим плотных планетных тропосфер, являются давление атмосферы и её эффективная теплоёмкость. Действительно, нагретые за счёт поглощения инфракрасного (теплового) излучения объёмы воздуха расширяются, становятся легче окружающих воздушных масс и поэтому быстро поднимаются вверх, вплоть до низов стратосферы, где они и теряют избытки тепла уже с радиационным излучением. Таким образом, насыщение атмосферы углекислым газом может привести только к ускорению конвективного массообмена в тропосфере, но не к увеличению её температуры. Кроме того, при одинаковых давлениях (массах) суммарная теплоёмкость углекислотной атмосферы всегда оказывается меньшей, чем теплоёмкость азотно-кислородной атмосферы. При этом из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и хуже сохраняет тепло на поверхности планеты по сравнению с более толстым слоем азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоёмкостью.
Рассмотрим теперь влияние антропогенного выброса углекислого газа в атмосферу на климат Земли. По разным оценкам, в настоящее время за счёт сжигания природного топлива в атмосферу поступает около 5-7 млрд т углекислого газа или 1,4-1,9 млрд т чистого углерода. Это колоссальное количество поступающего в атмосферу углерода не только влияет на состав её газовой смеси и снижение теплоёмкости, но и несколько увеличивает общее давление атмосферы. Оба этих фактора действуют в противоположных направлениях, в результате средняя температура земной поверхности почти не меняется. Она практически не изменится, даже если концентрация углекислого газа увеличится вдвое, что ожидается к 2100 г. Если же учесть, что большая часть поступающего в атмосферу углекислого газа, по закону Генри, растворяется в океанических водах и далее, при гидратации пород океанической коры, связывается в карбонатах, то может оказаться, что вместе с углеродом в карбонаты перейдёт и часть атмосферного кислорода. Тогда вместо слабого повышения атмосферного давления следует ожидать его незначительного уменьшения и, следовательно, слабого похолодания климата (но не его существенного потепления, как это предполагают ортодоксальные экологи).
К аналогичным выводам пришли и многие учёные США, изучавшие изменения климата в разных регионах Северной Америки. Согласно их данным, в настоящее время фактически не происходит никакого потепления климата. В этой связи известный американский учёный, бывший Президент Национальной Академии наук США Ф. Зейтц, пишет: «Экспериментальные данные по изменению климата не показывают вредного влияния антропогенного использования углеводородов. В противоположность этому, имеются веские свидетельства, что увеличение содержания в атмосфере углекислого газа является полезным». Ф. Зейтц подготовил Петицию учёных Правительству Соединённых Штатов Америки с призывом отказаться от Международного соглашения по глобальному потеплению климата, заключённому в Киото (Япония) в декабре 1997 г, и других аналогичных соглашений. В этой Петиции, в частности, говорится: «Не существует никаких убедительных научных свидетельств того, что антропогенный выброс диоксида углерода, метана или других парниковых газов причиняет, или может в обозримом будущем вызвать катастрофическое прогревание атмосферы Земли и разрушение её климата. Кроме того, имеются существенные научные свидетельства, показывающие, что увеличение в атмосфере концентрации диоксида углерода приводит к положительному влиянию на естественный прирост растений и животных в окружающей среде Земли». К настоящему времени эту Петицию уже подписало около 17 тыс. учёных и инженеров США.
Из приведённых оценок следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осреднённых показателей теплового режима Земли и её парниковый эффект. Более того, увеличение концентрации этого газа в земной атмосфере, безусловно, является полезным фактором, повышающим продуктивность сельского хозяйства и способствующим более эффективному восстановлению растительной массы в районах сведения лесов.
Если же глобальный климат Земли в настоящее время действительно испытывает заметное потепление, то скорее всего это окажется временным явлением, и причину надо искать в других процессах и явлениях, например в неравномерности солнечного излучения, в прецессии собственного вращения Земли, в неустойчивости океанических течений или в изменениях их циркуляции, вызванных другими причинами. Так, между осреднённой температурой земной поверхности и магнитной активностью Солнца, определяемой по числу солнечных пятен на его поверхности (т.е. по числу Вольфа), как видно из рис. 127, наблюдается сильная корреляция. Кроме того, не следует забывать, что наблюдаемое сейчас вековое потепление климата началось ещё в начале XVII в., когда о техногенных выбросах углекислого газа в атмосферу не приходилось и говорить. Причём это локальное потепление наблюдается на общем фоне похолодания (рис. 128). Что же касается потепления последних десятилетий (если оно действительно наблюдается), то это может оказаться временным явлением, развивающимся, например, на фоне общего долговременного изменения климата.
Рисунок 127. Корреляция температурных колебаний в Северном полушарии с магнитной активностью Солнца (с числами Вольфа).
Левая шкала и жирная линия — отклонения среднего значения поверхностной температуры Северного Полушария при текущем 11-летнем сглаживании, °С . Правая шкала и тонкая линия — осреднённая солнечно-магнитная активность (числа Вольфа). Резким всплескам магнитных циклов соответствует более активное и, следовательно, более яркое солнце.
Рисунок 128. Поверхностные температуры Саргассова моря
(с осреднением около 50 лет), определённые по изотопным отношениям кислорода в остатках планктонных морских организмов, погребённых в донных отложениях. Горизонтальной линией отмечена средняя температура за 3 000-летний период.
Аналогичные колебательные процессы в природе распространены достаточно широко. Можно вспомнить историю изменений уровня Каспийского моря: после многих лет обмеления в середине 80-х годов он вдруг стал подниматься, да ещё с угрожающе катастрофической скоростью. А сколько было разговоров по поводу антропогенного влияния на процесс осушения Каспия! Ведь чуть не осуществили самый дорогой из всех «проектов века» по переброске северных рек на юг. В эволюционном плане, начиная приблизительно с середины мезозоя (около 150-100 млн лет назад), происходит постепенное похолодание климата. Объясняется это удалением азота из атмосферы и связыванием его в нитратах и нитритах почвенного покрова. В результате атмосферное давление за последние 100 млн лет постепенно падало, что приводило к похолоданию климата, причём сейчас такое похолодание не компенсируется даже плавным увеличением интенсивности солнечного излучения. Об эволюционном похолодании климата говорят и многочисленные геологические данные, например полное отсутствие следов оледенений в мезозое и появление первых ледниковых покровов в Антарктиде в середине кайнозоя (около 40 млн лет назад), а в четвертичное время (приблизительно последние 1-2 млн лет) и периодических оледенений в Северном полушарии. Сейчас мы живём в межледниковом стадиале, но когда ему на смену придёт новая фаза оледенения, то следует ожидать её повышенной суровости.