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.

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 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 бо́льшую 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 ) , 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.

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.

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.

Андрей Киселев, Игорь Кароль
«Природа» №11, 2015

Около 10 лет назад вышла наша статья, посвященная проблеме атмосферного метана . В ней, в частности, высказывалось убеждение о сохранении повышенного интереса к этой теме в будущем. Такой вывод был очевиден и не требовал особой прозорливости, поэтому неудивительно, что он подтвердился. Действительно, все это время метан продолжал оставаться как предметом всесторонних интенсивных исследований, так и объектом для ряда политических решений. Словом, накопилось много новой и, на наш взгляд, интересной информации, которую мы хотели бы представить вниманию читателей «Природы». Однако обо всем по порядку.

Метан (СН 4) - один из основных парниковых газов, «ответственных» за широко обсуждаемое в последние годы глобальное потепление. Вклад атмосферного метана в него - второй после вклада СО 2 [ , ]. В то же время молекула СН 4 «работает» на глобальное потепление значительно, в десятки раз, эффективнее молекулы углекислого газа. Измерения показывают, что начиная с доиндустриального периода концентрация метана выросла примерно на 150%, в то время как концентрация СО 2 - лишь на 40%. Поэтому роль СН 4 как парникового газа постоянно возрастает. Нелишне добавить, что увеличение содержания метана способствует росту концентрации другого парникового и жизнеобеспечивающего газа - озона - как в тропосфере , так и в стратосфере . Бо льшая часть атмосферного метана имеет биогенное бактериальное происхождение. Химическим путем он не образуется. Поэтому поступление природного метана в атмосферу полностью контролируется его потоками с земной поверхности. Основные естественные источники СН 4 - заболоченные территории, пресноводные водоемы, поверхность океана, а также колонии термитов и сжигание биомассы в результате пожаров. С антропогенной деятельностью связаны потоки метана в атмосферу при добыче ископаемого топлива, с полигонов захоронения бытовых отходов и мусора на свалках, при очистке сточных вод, расширении сельскохозяйственных угодий (рисовых плантаций), разведении крупного рогатого скота и др. Разнородность источников метана - основная причина большой погрешности в оценках их интенсивности. Разрушение молекул метана происходит в результате его атмосферных химических реакций с гидроксилом (~90%, ) и атомарным хлором (выше 35 км).

Метан «глобальный, международный»

Как известно, мониторинг концентрации атмосферного метана проводится уже в течение нескольких десятков лет в различных уголках земного шара. В последние годы предприняты успешные шаги по улучшению его качества. С этой целью увеличено число станций наблюдения, внедрены системы непрерывного слежения, повышена точность измерений. В результате погрешность (стандартное отклонение) при оценке роста содержания метана в атмосфере сократилась с ±3,3 млрд −1 /год в 1980-х годах до ±1,3 млрд −1 /год в 2000-х . Расширение базы данных измерений и улучшение их качества позволили по-новому взглянуть на особенности природных процессов, ответственных за формирование поля метана, - его поступления в атмосферу и последующего разрушения, а также тщательнее оценить вклад метана в глобальное потепление.

Так что же происходило с атмосферным метаном в последние десятилетия? Посмотрим, как изменялась концентрация СН 4 за четверть века (рис. 1). В целом его содержание в атмосфере, в соответствии с прогнозами, росло. Однако, вопреки ожиданиям, рост этот не был монотонным: с 1999 по 2007 г. концентрация метана словно «набиралась сил» перед последующим «восхождением». Причины такого ее поведения до конца не ясны, но, скорее всего, дело в недостатке наших знаний об интенсивности источников и стоков СН 4 , которые по-прежнему нуждаются в дополнительных уточнениях и анализе. И это при том, что инвентаризация источников метана проводилась весьма интенсивно. Так, в 1990-х годах ежегодно в атмосферу поступало приблизительно 560 Мт СН 4 (с разбросом 360–892 Мт СН 4) . В начале XXI в. (с 2000 по 2009 г.) ежегодный поток метана в атмосферу составил 678 Мт (при разбросе 542–852 Мт) . Отметим значительное сокращение разброса оценок во втором случае.

Итак, эмиссия метана возрастала. Но вот что интересно: доли естественных и антропогенных источников оказались пересмотрены. Если по существовавшим в 1990-х представлениям примерно 2/3 выбросов СН 4 приходилось на его антропогенную эмиссию , то в первой декаде текущего столетия возник приблизительный паритет между естественными и антропогенными источниками (рис. 2). Разумеется, речь идет не о констатации столь заметного изменения интенсивности различных источников в природе, а лишь о разнице их определения при инвентаризации. Нетрудно видеть, что изменение соотношения между источниками обусловлено недооценкой натуральной эмиссии метана в прошлом (при этом антропогенные потоки остались почти неизменными). Обратите внимание: сказанное относится к глобальным оценкам; в густонаселенных районах антропогенные источники, конечно, превалируют.

Бюджет метана в первом десятилетии XXI в. складывался из множества источников. Наибольшей коррекции, по сравнению с ранними оценками, подверглась эмиссия с естественных переувлажненных территорий, величина которой возросла почти в два раза, с 110 до 217 Мт/год (рис. 3). Это и предопределило увеличение удельного веса естественных источников. Расчеты, выполненные с помощью моделей, учитывающих химические преобразования в атмосферном воздухе, показывают рост с течением времени содержания в атмосфере гидроксильного радикала ОН, разрушающего метан, и, как следствие, интенсификацию стока СН 4 [ , ]. Последним обстоятельством обусловлено уменьшение времени пребывания метана в атмосфере (его «времени жизни»): сегодня считается, что оно составляет 9,1±0,9 года , тогда как ранее обычно использовали значение, равное 10 годам .

Фотохимические взаимодействия в условиях роста эмиссии метана влекут изменения содержания, особенно в стратосфере, других важнейших парниковых газов - водяного пара, углекислого газа и озона, а следовательно, и радиационного баланса. Это обстоятельство отражается на росте совокупного вклада СН 4 в изменения современного климата .

Таким образом, несмотря на остающиеся неясности и неопределенности, можно констатировать продолжающееся увеличение содержания метана в атмосфере и усиление его (как парникового газа) вклада в глобальное потепление. В условиях отсутствия эффективного механизма сдерживания потепления в рамках международных договоренностей возникла идея сокращения выбросов газов и аэрозолей, чье воздействие на радиационный режим и климат значительно, но время пребывания в атмосфере (недели, месяцы или годы) существенно короче, чем у СО 2 (~100 лет), из чего следует, что отклик климатической системы должен проявиться достаточно быстро . С целью реализации этой идеи в начале 2012 г. была создана коалиция в составе Бангладеш, Ганы, Канады, Мексики, США и Швеции, к которой вскоре присоединились все страны «Большой восьмерки», в том числе и Россия. Предполагается, что благодаря заявленным коалицией мерам рост приземной температуры воздуха к 2050 г. не превысит 0,5°С. Главное место в перечне таких короткоживущих климатических загрязнителей (short-lived climate pollutants ) занимают черный углерод (black carbon ) и наш герой - метан.

Метан «всероссийский»

Результаты контроля за состоянием окружающей среды Российской Федерации и ее загрязнением в течение последних лет регулярно публиковались. Усилиями ряда институтов Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды начиная с 2005 г. подготавливаются и публикуются ежегодные обзоры . До недавнего времени, в соответствии с обязательствами нашей страны в рамках Киотского протокола, периодически поступали официальные сообщения с подробным описанием и анализом антропогенной эмиссии парниковых газов с российской территории .

Данные об антропогенных выбросах метана в атмосферу из российских источников в последние десятилетия (табл.) рассчитаны согласно стандартным методикам Межправительственной группы экспертов по изменению климата [ , ]. «Энергетическая» доля составляет около 75% в общей антропогенной эмиссии российского метана, «сельскохозяйственный» вклад оценивается в 8–12%, «обработка отходов» привносит еще 12–15%, а за 2% «ответственны» лесные пожары, возникшие как по антропогенным, так и по естественным причинам. В «энергетическом» секторе на непосредственное сжигание топлива приходится лишь 0,9% (!), остальное - следствие технологических выбросов и утечек. Продукты жизнедеятельности крупного рогатого скота «обеспечивают» львиную долю выбросов метана в «сельскохозяйственном» секторе. Таким образом, антропогенная эмиссия СН 4 в России, как и ранее, «покоится на трех китах»: энергетике, сельском хозяйстве и обработке промышленных и бытовых отходов.

Таблица. Выбросы метана (в Мт СН 4 /год) в различных секторах хозяйства России .

О естественных источниках метана сведений значительно меньше. Если для оценки его антропогенной эмиссии разработаны и внедрены общепринятые методики, то для инвентаризации естественных выбросов таких процедур нет. Это неудивительно: долгие годы первоочередной интерес представляли как раз антропогенные источники, так как контролировать их и управлять ими все же заметно проще, чем их естественными «собратьями». На первый взгляд парадоксально, но погрешности оценок эмиссии метана с переувлажненных территорий - основного натурального источника СН 4 - в 2000-х годах увеличились по сравнению с 1990-ми. Произошло это вследствие... роста числа исследований, посвященных определению размера выбросов метана с поверхностей, покрытых различными и многообразными типами растительности. Учет такого многообразия, ранее недоступный, требует четкого деления участков земной поверхности по принципу преобладания на каждом из них того или иного растительного типа, однако в природе такое деление можно провести только с большой долей условности. Увы, нам неизвестны недавние публикации, содержащие оценку потока метана с российских переувлажненных территорий, поэтому приходится ссылаться на работы, в которых деление на регионы проходит не по национальным границам. Так, существуют оценки эмиссии СН 4 с переувлажненных территорий «северной Евразии» (полностью российских) - 9 Мт СН 4 /год (с разбросом 4–13 Мт СН 4 /год) и «Евразии умеренных широт» (охватывающей наряду с российскими и часть земель наших южных соседей) - 2 Мт СН 4 /год . По другим расчетам, поток метана из тундры, как евразийской, так и североамериканской, составлял в 1990-х и 2000-х годах 13,7 и 14,7 Мт СН 4 /год (с практически двукратной неопределенностью) соответственно . Исходя из приведенных оценок, можно заключить, что российская естественная эмиссия метана достигает величины порядка 10 Мт СН 4 /год или немного большей, однако она нуждается в уточнении из-за сохраняющихся значительных погрешностей в расчетах. Таким образом, если принять это предположение, современный общий выброс метана с территории России составляет около 35 Мт СН 4 /год. Такая величина совпадает с нижней границей ранней оценки .

Метан «российский, арктический»

Сегодня Арктика - зона всеобщего повышенного внимания. Во многом это вызвано темпами ее потепления: за последние 100 лет потепление здесь происходило примерно вдвое интенсивнее, чем в среднем по земному шару. Одновременно с увеличением температуры приземного слоя воздуха в Арктическом регионе отмечены изменение количества осадков, влагосодержания почвы и речного стока; уменьшение площади морских льдов; увеличение глубины протаивания в зоне вечной мерзлоты. Столь значительные перемены климатической обстановки открывают заманчивые перспективы развития региона (организация регулярных перевозок по Северному морскому пути, добыча полезных ископаемых и т. д.), но вместе с тем выявляют серьезные дополнительные риски (например, ускорение деградации мерзлоты и повреждение расположенной на ней инфраструктуры). Очевидно, указанные изменения обусловлены как региональными особенностями (рельефом, альбедо поверхности, системой господствующих здесь ветров и течений, эмиссией в атмосферу парниковых газов и аэрозолей и т. д.), так и переносом тепла ветрами и течениями из южных широт к полюсам. Поэтому правомерен вопрос: определяется ли эволюция современного арктического климата главным образом тем, что происходит непосредственно в Арктике, или она в значительной степени формируется извне, т. е. под действием внешних факторов большего масштаба? Для ответа на него необходим целый комплекс исследований, включающий в первую очередь обеспечение качественного и бесперебойного мониторинга метеорологических параметров и содержания парниковых газов (СО 2 , СН 4) в регионе, а также их оперативные обработку и анализ.

В предыдущей статье мы сетовали на отсутствие разветвленной сети станций наблюдения в нашей стране , сегодня констатируем: положение дел улучшается, но медленно. Сейчас в Арктике насчитывается более двух десятков постоянно действующих станций (рис. 4), четыре из них российские: «Териберка» (Кольский п-ов, побережье Баренцева моря), «Новый Порт» (п-ов Ямал, берег Обской губы), «Черский» (крайний северо-восток Якутии, нижнее течение р. Колымы) и «Тикси» (арктическое побережье, море Лаптевых, залив Сого). На последней из них работа ведется совместно Финским метеорологическим институтом, Главной геофизической обсерваторией (Санкт-Петербург) и NOAA/ESRL (США). «Териберка» - самая старая станция, наблюдения на ней стартовали в 1988 г. На остальных начало наблюдений пришлось на первое десятилетие XXI в.: 2002 («Новый Порт»), 2009 («Черский») и 2010 гг. («Тикси») . Местоположение вышеперечисленных российских станций позволяет выделить местные особенности поведения концентрации метана. Три из них («Териберка», «Черский» и «Тикси») можно рассматривать как фоновые, а станция «Новый Порт» находится на расстоянии 80–250 км от крупнейших в России газовых месторождений, поэтому данные измерений на ней позволяют контролировать техногенные выбросы.

Данные измерений концентрации СН 4 на «Териберке» близки к результатам мониторинга на других арктических фоновых станциях (рис. 5). В то же время концентрации метана, зафиксированные на станции «Новый Порт», существенно выше: на результатах измерений сказалось влияние техногенных источников. Существенная разница имела место в амплитуде сезонных колебаний: 60 млрд −1 на «Териберке» против 200 млрд −1 и более в «Новом Порту». При этом максимальные значения концентрации наблюдались в зимние месяцы.

Важно также и то, что станции «Новый Порт» и «Тикси» находятся в зоне сплошной многолетней мерзлоты с множеством небольших термокарстовых озер, а это накладывает отпечаток на концентрацию метана. В последние годы широко дискутируется вопрос о возможном вкладе криолитозоны Восточной Сибири в формирование полей концентрации метана в Арктическом регионе. При этом рассматриваются несколько возможных версий эмиссии метана, а именно: а) выделение газообразного метана из газогидратов, большие залежи которых обнаружены на шельфах морей Лаптевых, Чукотского и др.; б) выделение метана, захороненного в слое многолетней мерзлоты, при увеличении периода и глубины ее протаивания (сюда же примыкает и версия, связанная с ролью небольших и относительно неглубоких карстовых озер, которые образовались в местах интенсивного таяния многолетней мерзлоты); в) вклад крупнейших рек Восточной Сибири в перенос растворенного метана в моря Северного Ледовитого океана.

Гидраты метана представляют собой похожую на лед субстанцию - смесь воды и метана, существующую при температуре не выше 20°С и давлении не ниже 3–5 МПа в покрытых водой осадочных породах на глубине 300–500 м. Считается, что 99% гидратов в глобальном масштабе сконцентрировано на континентальном шельфе. Плотность СН 4 в гидратах более чем в 160 раз превосходит плотность чистого метана при стандартных давлении и температуре. До сих пор существует большая неопределенность в оценках общего объема газогидратов, а также неизвестно, насколько они чувствительны к потеплению климата, находясь в осадочных породах под слоем воды.

Больше половины ресурсов гидратного метана России приходится на арктические моря (рис. 6). В настоящее время ведутся работы по изучению механизмов и условий высвобождения метана из газогидратов и последующего попадания его в атмосферу, но эти исследования далеки от завершения.

Согласно принятой сегодня градации, российская область вечной мерзлоты (охватывающая примерно 2/3 территории страны) делится на три зоны - сплошную, прерывистую и островную. Сплошная зона занимает бо льшую часть Сибири от Енисея до Берингова пролива и распространяется на юг вплоть до 44° с. ш., здесь земля постоянно проморожена на глубину нескольких сотен метров. Южнее располагается зона прерывистого массивно-островного распространения мерзлоты, которая занимает от 40 до 70% территории. Периферийный островной пояс простирается от Кольского п-ова и Архангельской обл. на европейском арктическом побережье до Северного Китая и Монголии, а также включает в себя часть Камчатки. Острова мерзлоты занимают, как правило, не более 10% общей площади территории.

Как ни парадоксально, о «том, на чем стоим» (в буквальном смысле), мы знаем не так уж и много, а существующие оценки обладают большими погрешностями. По мнению известного шведского специалиста Т. Кристенсена, до сих пор не создано достоверной карты зоны вечной мерзлоты, отрывочны сведения о толщине многолетнемерзлых грунтов (рекордная глубина залегания многолетней мерзлоты - 1370 м - зафиксирована в феврале 1982 г. в верховьях р. Вилюй в Якутии). Но бесспорно, что при деградации из слоя мерзлоты высвобождается и попадает в атмосферу метан: этот факт подтверждается недавними измерениями (рис. 7). Фоновые концентрации СН 4 в районе станции «Тикси» в период интенсивного таяния вечной мерзлоты (июль-сентябрь) превышены на 5–10%.

По современным оценкам, величина потока метана, вызванного таянием вечной мерзлоты, невелика и к тому же обладает большой погрешностью: 1 Мт/год при разбросе 0–1 Мт/год . Однако прогнозируемое ускорение темпов таяния мерзлоты несомненно отразится и на объемах выбросов СН 4 в атмосферу.

Еще одним источником метана в морях восточной Арктики считаются крупные сибирские реки (Обь, Енисей, Лена и др.). Их водосборы находятся на территории с многолетней мерзлотой, хранящей огромные запасы органического углерода, в том числе в виде метана. «Питательным резервуаром» для Оби служат Васюганские болота, ставшие объектом всестороннего изучения в последнее время, а для Лены - озера Колымо-Индигирской и Приморской низменностей. Как следствие, наблюдается увеличение концентраций растворенного СН 4 в речных устьях. С другой стороны, поскольку транспорт метана речными водами происходит в аэробных условиях (т. е. при наличии кислорода), некоторая его часть окисляется. В итоге, по данным экспедиций 2003–2006 гг., более 80% придонных и более 50% поверхностных проб, полученных на мелком шельфе (глубина менее 50 м), были перенасыщены растворенным метаном .

Особый интерес исследователей вызывает гигантская дельта Лены, занимающая площадь около 29 тыс. км 2 . По их мнению, здесь должны происходить непрерывные биологические процессы, так как температура донных осадков даже в зимнее время не опускается ниже 0°С. Осенью 2013 г. в дельте открылась многопрофильная станция «Остров Самойловский», в задачи которой входили и наблюдения за изменением климата (хотя исследования в этом регионе проводятся уже более 10 лет). Группа немецких ученых изучала эмиссию метана с различных типов поверхности дельты . Они смогли показать, насколько поток метана в атмосферу зависим от типов рельефа и растительности, а также степени увлажненности поверхности в низовьях Лены (рис. 8).

На основе анализа полученных результатов поток метана в дельте Лены оценен величиной 28,2 т СН 4 в год. В работах Н. Е. Шаховой и И. П. Семилетова (участников нескольких морских экспедиций на российском арктическом шельфе) фигурируют куда более внушительные величины. Однако объем информации пока явно недостаточен для окончательных выводов.

Метан «как зеркало борьбы с глобальным потеплением»

Сегодня в мире нет масштабных соглашений, направленных на коллективное сокращение эмиссии парниковых газов для смягчения последствий изменения климата. Недостаточная эффективность Киотского протокола повлекла отказ ряда стран (Канады, России, Японии) от продления его действия после 2012 г. С учетом того, что крупнейшие эмитенты (Китай и США) изначально не участвовали в нем, верность Киотскому договору сохранили лишь страны, чей суммарный выброс парниковых газов составляет около 15% общемирового . В этих условиях появление уже упомянутой коалиции выглядит до некоторой степени альтернативой по сути «сошедшему на нет» Киотскому протоколу. И, исходя из объявленных ею приоритетов, закономерно, что среди всех парниковых газов именно метан оказался «слабым звеном».

Ряд недавних исследований говорит о том, что субстанции, время пребывания которых в атмосфере не превосходит нескольких недель или месяцев, могут оказывать существенное влияние только на локальный , но не на глобальный климат. Это напрямую относится к большинству короткоживущих климатических загрязнителей, в том числе к черному углероду. Иное дело - метан: его «время жизни» в атмосфере значительно более продолжительно, но в то же время оно в несколько раз меньше, чем у углекислого газа. С учетом высокого, второго места метана в «рейтинге» антропогенных газов, влияющих на глобальное потепление, он наиболее удобен для «регулирования» (в той степени, в какой это возможно) климата в ближайшие десятилетия.

Кратко подведем итоги «за отчетный период». Результаты мониторинга говорят о том, что концентрация метана в атмосфере в XXI в. продолжала возрастать. По оценкам специалистов, росла и его эмиссия. Вклад CH 4 в глобальное потепление становится все более весомым, и это обеспечивает пристальное внимание к метану и в будущем.

По мере совершенствования измерительных средств детализируются и подходы к анализу региональных особенностей формирования поля атмосферного метана. Уточняется величина эмиссии СН 4 от отдельных как промышленных, так и натуральных источников, сокращается погрешность в ее оценках.

Особое место в исследованиях последних лет занимает Арктика, подвергшаяся чрезвычайно высокому, по сравнению с глобальным, потеплению. Среди причин такого положения дел специалисты с полным основанием называют и рост содержания метана в атмосфере. Последствия ускоренного арктического потепления открывают значительные экономические выгоды при освоении региона, но одновременно несут в себе дополнительные угрозы его экологии и климату. Поэтому при Арктическом совете

Андрей Киселев , Игорь Кароль .
Андрей Киселев
Игорь Кароль

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.

Климат в Ирландии изумительный, но погода его гробит.

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 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 бо́льшую 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 ) , 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.

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, 2 /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 15 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».) 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.

Глава третья На земле, в небесах и на море

Все течет. Все меняется. ...

Все права на текст принадлежат автору: Андрей Киселев , Игорь Кароль .
Это короткий фрагмент для ознакомления с книгой. Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?