Изменение состава атмосферы приводит к воздействию на радиационный режим атмосферы — это основной механизм антропогенного влияния на глобальную климатическую систему на современном и предполагаемом в ближайшие десятилетия уровне развития промышленности.
Вклад парниковых газов атмосферы (см. парниковый эффект) составляет основную часть этого воздействия. Влияние концентрации парниковых газов на температуру определяется поглощением длинноволнового излучения, идущего от Земли, и, следовательно, уменьшением эффективного излучения у земной поверхности. При этом предельные температуры возрастают, а температура более высоких слоев атмосферы убывает за счет больших потерь на излучение. Этот эффект усиливается двумя обстоятельствами:
1) возрастанием количества водяного пара в атмосфере при потеплениях, также перекрывающего длинноволновую радиацию;
2) отступанием полярных льдов при потеплениях, что уменьшает альбедо Земли в относительно высоких широтах.
Все долгоживущие парниковые газы и озон дают положительное радиационное воздействие (2,9 ± 0,3 Вт/м2). Суммарное радиационное воздействие антропогенных факторов, связанных с изменением концентрации всех парниковых газов и аэрозолей, составляет 1,6 (от 0,6 до 2,4) Вт/м2. Все типы аэрозолей создают радиационный эффект прямого действия и опосредованно путем изменения альбедо облаков. Суммарное аэрозольное воздействие является отрицательным (–1,3 ± 0,8 Вт/м2). Однако достоверность этих оценок намного ниже полученных для парниковых газов (Оценочный доклад, 2008).
Парниковые газы в атмосфере, на которые оказывает существенное влияние хозяйственная деятельность:
– диоксид углерода (СО2 ) является наиболее важным по влиянию на климат парниковым газом. За последние 250 лет наблюдалось беспрецедентное по скорости увеличение его концентрации в атмосфере на 35%. В 2005 г. она составила 379 млн–1;
– метан (СН4) является вторым по значимости парниковым газом после СО2; его концентрация увеличилась в 2,5 раза по сравнению с доиндустриальным периодом и составила 1774 млрд–1 в 2005 г.;
– закись азота (N2O), ее концентрация увеличилась на 18% к 2005 г. по сравнению с доиндустриальным периодом и составила 319 млрд–1; в настоящее время примерно 40% количества N2O, поступающего в атмосферу, обусловлено хозяйственной деятельностью (удобрения, животноводство, химическая промышленность).
На рис. 4.7 представлены временной ход концентрации диоксида углерода (а), метана (б) и закиси азота (в) в атмосфере и их изменения за последние 10 000 лет и начиная с 1750 г. Временной ход получен по результатам измерений в ледовых отложениях по результатам различных исследователей и измерений в атмосфере. На рисунке отчетливо прослеживается прогрессирующее увеличение СО2 и других газов за индустриальную эпоху.
Согласно данным Четвертого оценочного доклада МГЭИК (2007), в течение индустриальной эпохи происходит существенный рост атмосферных концентраций климатически активных газов. Так, в течение последних 250 лет атмосферные концентрации двуокиси углерода (СО2) возросли с 280 до 379 ррm (миллионные доли на единицу объема). Современная концентрация парниковых данных в атмосфере, как это следует из анализа пузырьков воздуха из ледниковых кернов, сохранивших состав древней атмосферы Антарктиды, намного выше, чем когда-либо за последние 10 тыс. лет. Глобальная атмосферная концентрация метана возросла с 715 до 1774 ррв (миллиардные доли на единицу объема) за период индустриальной эпохи. Наиболее сильный рост концентрации парниковых газов наблюдается в последние десятилетия, в результате чего происходит нагрев атмосферы.
Таким образом, процесс современного потепления климата происходит на фоне устойчивого роста концентрации парниковых газов, и в первую очередь, углекислого газа (СO2). Так, по данным на 1999 г., эмиссия СO2 в результате человеческой деятельности, от сжигания ископаемых видов горючего, достигла в 1996 г. 6,2 млрд т, что больше, чем в 1950 г. почти в 4 раза. С 1750 по 2000 г. произошло увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере на 31% (Переведенцев Ю.П., 2009).
Временной ход концентрации СО2 на российской станции Териберка (рисунок 4.8) показывает, что средняя за 20 лет скорость роста СО2 составила 1,7 млн–1 в год при значительных сезонных колебаниях, равных 15÷20 млн–1.
Рис. 2.8. Временной ход концентрации СО2 в атмосфере на станции Териберка (Кольский полуостров) за период наблюдений с 1988 г. Точками и линиями показаны единичные измерения (1), сглаженный сезонный ход (2) и многолетний тренд (3) СО2 Концентрация СО2, млн–1 (ОД, 2008)
Механизм парникового эффекта объясняется различием поглотительной способности атмосферы для приходящего к Земле излучения Солнца и излучения, уходящего от Земли. Земля получает излучение Солнца в широкой полосе спектра со средней длиной волны около 0,5 мкм, и это коротковолновое излучение почти проходит атмосферу. Земля отдает полученную энергию почти как абсолютно черное тело в длинноволновом, инфракрасном диапазоне, со средней длиной волны около 10 мкм. В этом диапазоне у многих газов (СO2, СН4, Н2О и др.) есть многочисленные полосы поглощения, эти газы поглощают излучение, в результате выделяют тепло и большей частью разогревают атмосферу. Углекислый газ интенсивно поглощает идущее от Земли излучение в диапазоне 12–18 мкм и является одним из основных факторов, обеспечивающих парниковый эффект (Переведенцев Ю.П., 2009).
Современное потепление климата. Факт того, что современный климат изменяется, признают все, так как и инструментальные измерения, и природные индикаторы свидетельствуют об одном: в последние десятилетия наблюдается значительное потепление климата планеты. В последнее столетие (1906–2005 гг.) с помощью наземной метеорологической сети зафиксировано достоверное повышение средней глобальной температуры у поверхности Земли на 0,74 °С. Разночтения возникают при обсуждении причины потепления. В Четвертом оценочном докладе эксперты МГЭИК (2007) делают выводы относительно причин наблюдаемого потепления: вероятность того, что изменения климата за последние 50 лет происходили без внешнего (антропогенного) воздействия, оценивается как крайне низкая (<5%). С высокой степенью вероятности (>90%) утверждается, что наблюдавшиеся за последние 50 лет изменения вызваны не только естественным, но и внешним воздействием. С вероятностью >90% в докладе утверждается, что рост концентраций антропогенных парниковых газов ответствен за большую часть глобального потепления начиная с середины XX в.
Существуют и другие взгляды на причины потепления - внутренний фактор, естественная изменчивость, обусловливающая колебания температуры, как в сторону потепления, так и похолодания. Так, в работе (Даценко Н.М., Монин А.С, Сонечкин Д.М., 2004) сторонники указанной концепции указывают, что период наиболее интенсивного роста глобальной температуры XX столетия (90-е годы) приходится на восходящую ветвь 60-летнего колебания, выявленного ими в индексах, характеризующих термическое и циркуляционное состояние атмосферы. При этом высказывается предположение, что современные колебания климата являются следствием нелинейных реакций климатической системы на квазипериодические внешние воздействия (циклы лунно-солнечных приливов и солнечной активности, циклы обращения наиболее крупных планет Солнечной системы вокруг общего центра и т.п.) (Переведенцев Ю.П., 2009).
Впервые рост индустриальных выбросов СO2 в атмосферу установил Х.Е. Зюсс в начале 50-х годов XX в. По изменению отношения углерода в древесных кольцах Зюсс сделал вывод о том, что атмосферная двуокись углерода уже со второй половины XIX века пополняется выбросами СO2 от сжигания ископаемого топлива. Он обнаружил, что отношение радиоактивного С14, постоянно образующегося в атмосфере благодаря действию космических частиц, к стабильному С12 уменьшается в течение последних ста лет в результате «разбавления» атмосферного СO2 потоком СO2 из ископаемых топлив, практически не содержащих С (период полураспада С14 равен 5730 лет). Таким образом, рост индустриальных выбросов СO2 в атмосферу был обнаружен на основе измерений в древесных кольцах деревьев. Лишь в 1958 г. началась регистрация атмосферной концентрации СO2 на станции Мауна Лоа в Тихом океане.
Рис. 4.7. Временной ход концентрации диоксида углерода (а), метана (б) и закиси азота (в) в атмосфере и их изменения за последние 10 000 лет (крупная панель) и начиная с 1750 г. (вставленная в нее панель меньшего размера). Результаты измерений в ледовых отложениях (символы разного цвета и конфигурации) по результатам различных исследователей и измерений в атмосфере (красная кривая). Шкала оценок, соответствующих измеренным концентрациям радиационных воздействий приведена на больших панелях с правой стороны (Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации (ОД), 2008)