Экология и ее база климат

РезюмеВ монографии известного ученого, академика РАН Р.И. Нигматулина "4 Э нашей жизни"* представлены размышления по важнейшим вопросам, касающимся жизни современного общества: социально-экономическим, климатическим, физико-техническим, а также энергетическим и этническим. В данном номере журнала представлена первая часть книги - "Экология и ее база - климат".

(*Нигматулин Р.И. 4 Э нашей жизни: Экология, Энергетика, Экономика, Этнос. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2015. 112 с.)

Ключевые слова:экология, глобальное потепление, углекислый газ в атмосфере, влияние планет, роль океана в климате Земли, климат и история России, роль меняющейся облачности и ветровых потоков, функции Мирового океана в жизни человечества

ОРГЗДРАВ - 2016. - № 2. - С. 21-30.

Климат в России тогда хорош,

когда губернатор соответствует.

М.Е. Салтыков-Щедрин

Вместе с тем некоторые наблюдения по­казывают, что, во-первых, меняются режимы осадков - многие засушливые регионы стали еще более засушливыми. Во-вторых, увеличи­вается количество разрушительных ураганов. В-третьих, даже малое потепление может быть существенным для биологических (живых) си­тем, потому что, если температура вашего тела равна 36,6 °С, вы хорошо себя чувствуете, а если 37,4 °С, - вы больны. Могут появиться новые ви­русы и бактерии, и это может создать серьезную угрозу. Не исключено возникновение вируса, ко­торый сможет поразить все человечество и оста­новить развитие нашей цивилизации.

Факт потепления подтверждается также тем, что уровень воды в океане поднимается (см. рис. 1а ). Всего 3 мм в год. Однако некото­рые островные государства, которые окружены морями с пологим берегом, очень этого боятся, так как их территория может существенно со­кратиться и даже исчезнуть. В пользу потепления свидетельствует и уменьшение площади льдов в Арктике (рис. 1б) в летние месяцы. Она уменьшилась в 2 раза по сравнению с 1900-ми и 1970-ми годами. Ученые по-разному думают, что будет дальше.

По-разному ведут себя температуры, усред­ненные по отдельным регионам. Изменения ре­гионального климата происходят часто гораздо быстрее и драматичнее. Именно эти изменения представляют особый интерес для каждой страны, но они проходят на фоне глобальных изменений.

Углекислый газ в атмосфере

Глобальное потепление многие ученые свя­зывают с ростом малой концентрации угле­кислого газа сСО2 в атмосфере СО2 ~ 5х10-4). За последние 40 лет она выросла примерно на 1/4 и продолжает расти (рис. 1в). Это связа­но с тем, что в индустриальных странах сжига­ется очень много топлива, содержащего углерод, и выделяется двуокись углерода СО2. А сокраща­ющаяся зеленая масса хлорофилла уже не успе­вает перерабатывать все растущее выделение СО2 в природных и промышленных процессах. В результате его концентрация сСО2 в атмосфере растет. А углекислый газ является парниковым газом, т.е. сильнее, чем кислород и азот воздуха, поглощает лучистую (радиационную) энер­гию, поставляемую Солнцем, и превращает ее в тепло. Хотя парниковое действие СО2 мало, небольшое увеличение температуры вызыва­ет увеличение содержания в воздухе водяно­го пара сН2ОН2О ~10-2) за счет испарения воды (Н2О), благо воды достаточно - 72% поверхности Земли занято Мировым океаном. В итоге пар Н2О оказывает более сильное, чем СО2, парниковое воздействие, поэтому средняя по поверхности Земли температура воздуха T' повысится еще сильнее. В этом и состоит современная кон­цепция глобального потепления, связанного с увеличением содержания углекислого газа в ат­мосфере из-за описанного выше антропогенного фактора. Во всяком случае влияние СО2 на кли­мат бесспорно, и эта концепция разрабатывается в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухо­ва академиком Г.С. Голицыным и членом-корре­спондентом РАН И.И. Моховым. Однако следует иметь в виду, что фактор СО2 - это только один из многих климатических механизмов.

Интересно проследить, как менялась кон­центрация углекислого газа сСО2 без антропо­генного фактора, т.е. только из-за естествен­ных процессов. Такая возможность имеется. Это делается по образцам льда, погружающего­ся на глубину в ледовых массивах Антарктиды. На поверхности этих массивов оседает замерза­ющая влага, постепенно погружая в глубину бо­лее ранние замерзшие осадки. Если пробурить скважину, то из разных глубин извлекаются об­разцы льда разного "возраста": чем глубже об­разец, тем раньше он был погребен. Изотопные методики позволяют определить время захоро­нения извлеченных образцов льда из разных глубин. Эти образцы льда содержат пузырьки воздуха, захваченного из атмосферы к моменту замерзания льда и начала его погружения. Затем в этих пузырьках измеряется состав воздуха из тогдашней атмосферы.

В результате такого исследования было установлено, как менялась концентрация угле­кислого газа сСО2 в атмосфере за последние 700 тыс. лет (рис. 2). Она всегда менялась, но наиболее значительные изменения проис­ходили с периодом около 100 тыс. лет. В этих колебаниях минимальные значения концен­трации равнялись сСО2 ~200 ppm (1 ppm со­ответствует 1 молекуле СО2 на 1 млн молекул воздуха, что соответствует массовой концен­трации СО2, равной 1,52х10-6), максимальные -сСО2 ~280 ppm, а средние значения были сСО2 ~230 ppm. А с 1950 по 2014 г. сСО2 выросла с 300 до 400 ppm. Общая масса углерода в атмос­фере в виде СО2 равна около 850 Гт (Г = гига означает миллиард, Гт = гигатонна = миллиард тонн (109 т). Ниже используется Гм = гигаметр = миллиард метров (109 м), что равно 1 млн км.), и только за последние 6 лет она выросла на 40 Гт. За последние 700 тыс. лет такого быстрого роста массы углекислого газа в атмосфере не наблюдалось, и в масштабах тысячелетий это выглядит как взрыв концентрации сСО2, что вызывает опасения.

С ростом концентрации СО2 в атмосфере она растет и в поверхностных водах океана, что при­водит к росту содержания угольной кислоты (окислению) и воздействует на биологические существа на небольших глубинах (кораллы, рыба и другие организмы).

Противоречия в концепции глобального потепления

Однако не все согласуется с представленной схемой потепления.

Некоторые данные свидетельствуют, что сначала менялась температура TΣ' и лишь после этого менялась концентрация сСО2. Иначе говоря, не СО2 вызывал рост температуры, а изменение температуры TΣ' вызывало рост сСО2.

Кроме того, "всего" 15 тыс. лет назад масса хлорофилла была много больше нынешней, топлива сжигалось во много раз меньше ны­нешнего и концентрация углекислого газа была в 1,5 раза меньше нынешней. А уровень океана рос со скоростью 10 мм в год, т.е. в 3 раза бы­стрее, чем сейчас.

Далее, несмотря на рост концентрации угле­кислого газа сСО2, в последние 14 лет вместо по­тепления, т.е. увеличения TΣ' на 0,1 °С, мы имеем глобальное похолодание, т.е. уменьшение TΣ' на 0,2 °С (рис. 3). Сотрудники Института Арктики и Антарктики считают, что скоро уровень оле­денения в Арктике будет увеличиваться (см. рис. 1б). В 2014 г. появились признаки увеличе­ния оледенения Арктики летом.

Физические механизмы в формировании климата в масштабах десятилетий

Есть обстоятельства, которые уменьшают значимость нагрева воздуха из-за поглощения радиационного излучения, через который только и может проявляться парниковый эффект малых концентраций СО2СО2 ~104) как запускающий глобальное потепление.

Суть в следующем. Земля крутится вокруг Солнца по орбите в форме эллипса с неболь­шим эксцентриситетом, т.е. близкой к окружности (рис. 4). В одном из фокусов этого эллипса и находится Солнце. Минимальное и максимальное расстояния Земли от свое­го греющего светила равны Rmin = 147 Гм (пе­ригей, приходящийся на январь, когда в Се­верном полушарии зима, а в Южном - лето) и Rmax = 152 Гм (апогей, приходящийся на июль, когда в Северном полушарии лето, а в Юж­ном - зима). Поэтому зима в Северном полу­шарии теплее, так как Земля в перигее (147 Гм от Солнца, и солнечная радиация сильнее), а лето холоднее, чем в Южном, так как Земля в апогее (152 Гм от Солнца, и солнечная ради­ация слабее). Интенсивность солнечной ради­ации W', попадающей на Землю, вычисляется по формуле

где а - радиус Земли; R - расстояние от Солнца до Земли; I - мощность радиационной энер­гии, излучаемой Солнцем. Тогда относительное

Таким образом, облучение Земли солнечной энергией в перигее на 7% больше, чем в апогее.

Характерный масштаб перепада температуры в атмосфере AT определяется разницей темпе­ратуры на поверхности Земли TΣ' и характерной температурой на верхней границе тропосферы (на высоте 11 км) Ttrop ~ -55 °С:

ΔT ~ 14 - (-55) ~ 70 К.

Тепловая инерция атмосферы, определяемая теплоемкостью единицы объема pc (где ρ - плотность, c - удельная теплоемкость), измеряется часами. Действительно, вечером, как только Солнце заходит, воздух через час охлаждается, а утром, когда Солнце восходит, воздух через час нагревается. И если именно радиационный механизм, зависящий от оптических свойств ат­мосферного воздуха (благодаря которым про­является парниковый эффект), доминировал в нагреве воздуха у поверхности Земли, тогда ΤΣ' в январе (перигее) должна быть выше, чем в июле (апогее), на величину порядка:

δΤ ~ 0,07x70 ~ 5 К.

По другим оценкам, привязанным к се­зонным изменениям в континентальных ре­гионах (ΔΤ ~ +20 - (-10) = 30 К), получим δ Τ ~ 0,07 х 30 ~ 2 К. А измерения показывают, что она выше только на δΤ~ 0,2 °С (см. рис. 3). Это значит, что инерция глобального климата (изменения ΤΣ' с изменением солнечного облу­чения W') многократно больше, чем тепловая инерция воздуха (изменения Τ'Σ в заданном ме­сте на поверхности Земли с изменением текуще­го солнечного облучения в заданном месте W'). Раз так, то инерция глобального климата (из­менение TΣ с изменением интенсивности сол­нечной радиации скорее связана с на порядок большей тепловой инерцией конден­сированных фаз (воды в океане и твердой фазы

суши), у которых теплоемкость единицы объема ρc в 103-104 раз больше, чем у воздуха, и пото­му их тепловая инерция на несколько порядков больше, чем тепловая инерция воздуха атмо­сферы. Тогда изменение температуры воздуха Τ'Σ около поверхности больше зависит от теплопро­водности и температуропроводности турбулент­ного воздуха, турбулентной жидкой фазы (оке­ана) и твердой фазы на поверхности Земли, на которые малые концентрации СО2 практически не влияют. А значит, влияние на климат углекис­лого газа в существующих моделях может быть в несколько раз завышено.

Анализируя переработку СО2 хлорофиллом, следует иметь в виду зеленую массу хлоро­филла не только на суше, но и в океане в виде фитопланктона. И это есть проблема океано­логии. Фитопланктон важен не только как важ­нейший элемент пищевой цепи в океане, но и как зеленая масса, перерабатывающая СО2 с восстановлением кислорода О2 после окисли­тельных природных и антропогенных процес­сов. Более того, образование биомассы фито­планктона влияет на баланс массы кислорода, произведенного хлорофиллом из углекислого газа, и массы кислорода, потребленного в окис­лительных процессах в океане. Этот баланс -часть еще более глобальной проблемы: цикла углерода (органического и неорганического) в океане.

Влияние планет

Есть еще одно интересное обстоятельство, которое играет роль в периодическом изменении климата. На климат периодически влияют пла­неты Юпитер, Венера и в меньшей мере Сатурн. Они своей гравитацией, в зависимости от свое­го расположения относительно Земли и Солнца, чуть приближают или отдаляют Землю от Солнца относительно описанной выше ее эллиптической орбиты вокруг Солнца. А это, соответственно, уве­личивает или уменьшает величину солнечного об­лучения Земли W' с амплитудой около 1%, и, поч­ти не меняя среднегодовую температуру делает лето (зиму) Северного и зиму (лето) Южного полушарий чуть теплее или чуть холоднее. Данный механизм имеет период около 12 лет, что близко к периоду обращения вокруг Солнца Юпитера (11,86 лет). Примерно с таким же периодом ме­няется активность Солнца в разных спектральных зонах, но относительная амплитуда таких коле­баний пока оценивается как малая - равна 0,1%.

Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы движения планет

Недавно провели опрос среди молодежи: что крутится вокруг чего - Солнце вокруг Земли или Земля вокруг Солнца. Как вы думаете?

- Земля вокруг Солнца (реплика из зала).

Однако это одна сторона правды. Наверное, вы будете поражены, когда я скажу, что утверж­дение "Солнце вращается вокруг Земли" - это тоже верно в соответствии с принципом относи­тельности теоретической механики.

Суть более глубокой коперниковской системы (гелиоцентрической) по сравнению с птоломеевской (геоцентрической) не в том, что Земля вращается вокруг Солнца, а в том, что планеты Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун вращаются с разными периодами в одной плоскости вокруг общего центра -Солнца. А наблюдаемое на небосводе Земли движение этих планет относительно Земли по сложным траекториям и является результатом их движения по "простым" почти круговым тра­екториям относительно общего центра - Солн­ца, что и понял великий польский математик и астроном Николай Коперник (1473-1543).

Геоцентрическая система, развитая великим греческим математиком и астрономом Клавди­ем Птоломеем (II в.), была чисто эмпирической и правильно описывала движения планет от­носительно Земли, поскольку она следовала из результатов тщательных и многолетних наблюде­ний. Она была основой навигации для морепла­вателей. Однако духовные католические лидеры ее абсолютизировали и отказывались принять более глубокую коперниковскую (гелиоцентри­ческую) систему движения всех планет, объ­ясняющую сложные траектории планет при их движении относительно Земли как следствие их кругового движения вокруг общего центра -Солнца. Они догматически полагали, что это под­рывает религиозные основы, провозглашающие Землю центром Вселенной. И даже суд инквизи­ции вынес тяжелый приговор великому Галилею за отстаивание гелиоцентрической (коперниковской) системы движения планет. Так же, как советские догматики середины ХХ в. отрицали генетику и кибернетику, как покушающиеся на основы марксизма-ленинизма. Однако генетика и кибернетика к этим основам отношения не имели, а развивали наше научное знание об окружающем мире.

Масштабы времени в несколько десятилетий

Когда указываешь на факт отсутствия гло­бального потепления за последние 14 лет, не­которые говорят: "Ну, это флуктуация". Ничего себе флуктуация! Длительностью уже более 10 лет! И меня в первую очередь интересует, как будет меняться климат в ближайшие три-четыре десятилетия, а не в конце XXI в.

В связи с этим приведу классический при­мер. В XIX в. городской транспорт развивался за счет конной тяги. Из-за роста городов число ло­шадей в городе росло. С угрожающей скоростью на улицах городов росло и количество неубран­ного навоза. В 1894 г. в газете "Times of London" приводилась оценка скучного догматика, что к 1950 г. (через 56 лет) каждая улица города бу­дет покрыта конским навозом слоем толщиной почти в 3 м. В Нью-Йорке в 1890 г. догматики подсчитали, что к 1930 г. (всего через 40 лет) слой лошадиного навоза на улицах города будет доставать до окон третьего этажа. Однако все оказалось не так. Из-за научно-технического прогресса через 30 лет транспорт в городах стал другим. Автомобили, автобусы, трамваи, метро, троллейбусы сняли проблему навоза в городах. Конечно, появились другие проблемы, но они тоже могут быть решены только за счет научно-технического прогресса.

Трудно поверить, но количество жертв на­езда конных экипажей было большим. Было подсчитано что, например, в Чикаго в 1916 г. на каждые 10 тыс. конных экипажей приходилось по 16,9 смертельных случаев наездов на пешехо­дов. Это в 7 раз (!) больше, чем количество смер­тельных случаев в ДТП на 10 тыс. автомобилей в том же Чикаго в 1997 г.

Я уверен, что через лет 30-50 энергетика перейдет на другие источники энергии, не свя­занные со сжиганием углерода в угле, бензине и газе. Академик Ж.И. Алферов считает, что бу­дут созданы эффективные устройства прямого преобразования солнечной радиации в электри­чество. Будет развита более безопасная ядерная энергетика. А это снимет угрозы на климат из-за роста в атмосфере концентрации СО2.

Именно поэтому климатологам надо сосре­доточиться на ближайших 30-40 годах. На бо­лее поздние перспективы ответят последующее поколения ученых с учетом новых технологий в энергетике. Что будет через 2 млрд лет, я знаю: Солнце потухнет. Однако сейчас нам не до этой проблемы.

Роль океана в климате Земли

Решающее значение для климата имеет оке­ан, потому что 72% поверхности Земли покрыто водой Мирового океана, а важнейшим парни­ковым газом является водяной пар, который из океана попадает в атмосферу. Масса океана и его теплоемкость, определяющие его тепловую инерцию, в 300 и 1000 раз больше массы и те­плоемкости атмосферы соответственно. В океа­не в 50 раз больше масса СО2, чем в атмосфере.

Если океан отдает малую часть своего тепла и углекислого газа, то для атмосферы это много. Атмосфера, как капризная девчонка, у которой чуть что - и настроение портится. Солнце взошло -

стало тепло, облака налетели - уже прохладно. А океан - это стабильный "диктатор", облака пришли-ушли, а он все равно ведет себя по-своему.

В океане имеются течения - поверхностные и глубинные. Они переносят много тепла, что определяет климат различных регионов мира.

Вы, конечно, знаете про теплое течение Гольфстрим, многие смотрели американский фильм "The day after tomorrow" ("Послезав­тра"). Драматические события развиваются во время климатической катастрофы. Ледники Гренландии, с севера ограничивающие Атлан­тический океан, из-за потепления начинают трескаться и таять. Талая вода стекает и с севе­ра тормозит Гольфстрим, несущий теплые воды с юга. Приток тепла сокращается, и в Нью-Йорке становится катастрофически холодно.

Могу вас успокоить. Каждый год в Северной Атлантике работают две экспедиции нашего ин­ститута. Исследования показывают, что особых изменений с Гольфстримом не происходит, тем­пература и расход немного колеблются, но он будет течь и приносить тепло с экваториальных вод еще тысячи лет.

Климат и история России

У многих из нас имеется ощущение, что рус­ская, российская история, история нашего Оте­чества особая, есть в ней то, чего нет в истории других народов. Этому есть естественные при­чины. Российская история складывалась в край­них климатических условиях с очень длительной и холодной зимой. Наш народ создавал свою ци­вилизацию в самых холодных регионах, в каких возможно ее самообеспеченное развитие2.

На рис. 5 приведены изотермы января в Ев­ропе. Из-за влияния Гольфстрима изотермы сильно искажены от широтных направлений. В частности из-за близости к Гольфстриму зима в приполярных регионах Скандинавии около Осло, Стокгольма и Хельсинки, где живет основ­ная часть этих стран, теплее, чем на юге Украины. А граница разделения Канады и Северной части США, которые часто рассматриваются как холод­ные регионы, проходит по широте юга Казахстана и Украины.

Резкие климатические контрасты на терри­тории России, короткий вегетативный период для растений делают наше сельское хозяйство очень рискованным, что создает в народе со­стояние неустойчивости. В этом году хорошо, в следующем - плохо. День год кормит. Про­спал этот день - обречен на нищету. Если ты талантливый хозяин (а талантливых меньшин­ство), тебе и твоей семье удается быть успеш­ными. Однако для этого надо трудиться, как это написано в стихотворении Игоря Шкляревского :

Клевер скосили. Жито поспело.

Жито собрали. Сад убирать.

Глянешь, а греча уже покраснела.

Гречу убрали. Лен колотить.

Лен посушили. Сено возить.

Сено сметали. Бульбу копать.

Бульбу вскопали. Хряка смолить.

Клюкву мочить. Дровы пилить.

Ульи снимать. Сад утеплять.

Руки болять! Ноги болять!

А если ты работаешь не так, то ты бедняк. За­висть неудачников, борьба за равенство и спра­ведливость порождают разрушителей.

Все это создает в нашем народе "колебатель­ное" состояние с большой амплитудой. Этим, в частности, объясняется ожесточенность в от­ношениях между людьми. С какой ненавистью журналисты, политики кричат друг на друга на телевизионных диспутах. Смотрит на этих "вла­стителей дум" народ. А орущие борцы за спра­ведливость часто используются коварными хи­трецами для захвата власти.

Мы слышим и читаем полярные оценки всех царей и лидеров, ожесточающие одних сограж­дан против других.

Роль меняющейся облачности и ветровых потоков

С поверхности океана идет испарение водя­ного пара, которое интенсифицируется за счет ветрового срыва капель с вершин волн. За счет турбулентной диффузии влага с поверхности под­нимается вверх, где из-за низкой температуры она

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)

ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР
Улумбекова Гузель Эрнстовна
Доктор медицинских наук, диплом MBA Гарвардского университета (Бостон, США), руководитель Высшей школы организации и управления здравоохранением (ВШОУЗ)

Журналы «ГЭОТАР-Медиа»