За годы, прошедшие после второй мировой войны, методы климатологических исследований значительно изменились. Это связано прежде всего с получением многочисленных новых данных метеорологических наблюдений, относящихся к ранее не изучавшимся областям земного шара и недоступным слоям атмосферы. Особенно большое увеличение материалов метеорологических наблюдений произошло за период Международного геофизического года.
Не меньшее значение для прогресса климатологии имело развитие в последнее время новых методов анализа климатических процессов, позволяющих на основании общих физических законов количественно объяснять закономерности метеорологического режима.
К числу таких методов относится, в частности, изучение теплового энергетического баланса земной поверхности и атмосферы, оказывающего сильное воздействие на закономерности природных процессов. Особое значение материалов по тепловому балансу для понимания закономерностей природных процессов было установлено в трудах А. А. Григорьева, которые оказали большое влияние на развитие климатологических исследований этого направления.
В работах по проблеме теплового баланса, выполненных в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова в течение последних 15 лет, были разработаны методы определения всех его составляющих, позволяющие строить их мировые карты. В результате этих работ был подготовлен и издан (в 1955 г.) «Атлас теплового баланса», включающий 66 мировых карт, характеризующих процессы преобразования солнечной энергии на земной поверхности. В последние годы в результате исследований, проведенных в период Международного геофизического года, получено много новых материалов по радиационному режиму и тепловому балансу, что позволило выполнить заново все расчеты составляющих теплового баланса и построить новые мировые карты, значительно более точные и детальные по сравнению с картами Атласа теплового баланса 1955 г. Эти карты сейчас публикуются в новом издании этого Атласа.
Материалы по тепловому балансу широко используются в современных (климатологических исследованиях, включая работы по генезису климата, по прикладной климатологии и по вопросам влияния климатических факторов на другие природные процессы. Быстрое развитие климатологических исследований теплового баланса привело к оформлению климатологии теплового баланса, как одного из разделов общей климатологии, связанного с изучением влияния преобразований солнечной энергии на климат. В самое последнее время были начаты работы по применению метода теплового баланса вместе с некоторыми другими методами теоретической климатологии для исследования закономерностей естественных изменений климата и для оценки возможностей воздействий на климат. Первые результаты указанных исследований излагаются в настоящем сообщении.
Известно, что наиболее крупные изменения климата, происходившие в геологическом прошлом, были связаны с изменениями термической зональности. В течение длительных интервалов времени термическая зональность была слабо выражена, причем температуры в высоких широтах гораздо меньше отличались от температур в тропиках, чем в современных условиях. Периоды со слабо выраженной зональностью неоднократно сменялись периодами, когда термическая зональность усиливалась и возникали оледенения. При этом последние развивались как в районах, близких к современному положению полюсов, так и в областях, которые лежат в тропических широтах.
В современной климатологии нет общепринятых представлений о закономерностях изменений термической зональности. Наличие многочисленных ‘противоречивых гипотез в отношении этой проблемы связано, по-видимому, с односторонним характером ранее выполненных исследований, которые строились в основном на обобщении палеогеографических материалов без должного учета физических закономерностей климатических процессов.
Применение метода теплового баланса позволяет выяснить ряд вопросов, возникающих при изучении изменений термической зональности.
Первый из этих вопросов относится к объяснению причин существующей сейчас резко выраженной термической зональности. Как известно» начиная с античной эпохи сохраняется представление, что широтная термическая зональность Земли объясняется различиями в средних высотах Солнца, обусловленными шарообразной формой Земли. При этом считается, что чем меньше эти высоты, тем меньше радиации приходит на единицу горизонтальной поверхности, причем уменьшение количества радиации приводит к соответствующему понижению температуры воздуха. Такое представление в свое время было положено в основу понятия климат, которое в переводе с греческого означает «наклон», т. е. угол падения солнечных лучей.
Изучение полученных в последнее время материалов по радиационному режиму и тепловому балансу Земли показывает, что это представление нуждается в существенном уточнении.
Для оценки влияния радиационных факторов на термическую зональность можно использовать мировые карты суммарной радиации для декабря и июня из нового «Атласа теплового баланса» (рис. 1 и 2) и карты изотерм за те же месяцы. Как видно из этих карт, в зимнее время имеет место соответствие между убыванием средних величин суммарной радиации и понижением температуры воздуха при увеличении широты. Другое положение наблюдается в летнее время, когда суммарная радиация, приходящая на единицу горизонтальной поверхности в высоких широтах, оказывается гораздо больше суммарной радиации на экваторе. Анализ данных по радиационному режиму показывает, что в летнее время значительная продолжительность дня в высоких широтах с избытком компенсирует влияние небольших высот Солнца на средние величины суммарной радиации. Таким образом, понижение температуры в высоких широтах летом по сравнению с экватором отнюдь не объясняется уменьшением приходящей суммарной радиации.
Этот вывод имеет существенное значение, поскольку именно летние температуры в основном определяют природные условия в умеренных и высоких широтах. Если бы распределение температуры соответствовало распределению радиации, то очевидно, что температура в районе полюсов летом была бы близка к температурам в низких широтах. Это позволило бы, в частности, лесной растительности произрастать на арктических островах и побережьях.
Вопрос о причинах существенного понижения температур летом в полярных зонах по сравнению с экватором можно решить на основании анализа теплового энергетического баланса. Результаты такого анализа показывают, что основной причиной понижения летних температур в высоких широтах является влияние ледяных покровов Северного Ледовитого океана и Антарктиды. Из-за высокой отражательной способности снега основная часть суммарной радиации в высоких широтах отражается, и поглощенная радиация оказывается очень малой (рис. 3).
Для оценки влияния ледяного покрова на термический режим высоких широт был выполнен расчет годового хода температуры воды и воздуха, который имел бы место в центральных арктических областях при отсутствии ледяного покрова. В этом расчете
было учтено влияние на температуру изменений всех составляющих теплового баланса, влияние изменений трансформации воздуха над океаном и влияние изменений меридионального переноса тепла. Результаты указанного расчета представлены на рис. 4. Из этого рисунка видно, что при отсутствии льда летние температуры в Центральной Арктике должны составлять 15—20°, а зимние 5—10°.
Следовательно, если бы ледяной покров Северного Ледовитого океана исчез, то произошли бы резкие изменения климата, в результате которых он не смог бы более восстановиться. В этом случае термические условия в Арктике стали бы достаточно благоприятными для произрастания на островах и побережьях материка растительности умеренной и даже субтропической зоны.
Климатические условия умеренных широт при этом также должны измениться в сторону некоторого повышения температуры летом и существенного смягчения зимних условий.
Как показывают результаты расчетов, сходные изменения должны были бы произойти в климате южного полушария при исчезновении ледяного покрова Антарктиды. При этом в ее центральных областях летние температуры должны быть выше, чем в Арктике, и приближаться к температурам тропиков. Наряду с этим в зимнее время температуры в Антарктиде были бы ниже, чем в Арктике, что объясняется различиями в тепловом балансе материка и океана.
Изложенная здесь картина климатических условий, которые должны были бы иметь место в высоких широтах при отсутствии ледяных покровов, соответствует климатическому режиму доледникового времени, когда в полярных областях развивались растения и жили животные, сходные с растениями и животными более низких широт.
Таким образом можно заключить, что обусловленные шарообразной формой Земли изменения средних высот Солнца на различных широтах не являются главной причиной существующей резко выраженной термической зональности. Эта зональность возникла в ледниковую эпоху и существует сейчас главным образом из-за того, что ледяной покров высоких широт резко снижает температуры в этих широтах, поддерживая тем самым свое существование. Иначе (говоря, ледяные покровы Арктики и Антарктики являются в большей мере причиной, чем следствием, низких температур в высоких широтах.
Таким образом, слабо выраженная термическая зональность является нормальным климатическим режимом, который существовал большую часть геологической истории Земли.
При слабо выраженной термической зональности сравнительно небольшие разности температур между экватором и полюсами должны были несколько изменяться в зависимости от расположения суши и океанов. Однако резко выраженная термическая зональность могла возникнуть только при развитии ледяного покрова на суше или на океанах, для чего было необходимо действие дополнительных факторов, заметно снижающих температуру Земли.
Используя метод анализа теплового баланса для расчета связей условий оледенения с термическим режимом, можно сделать ряд выводов о закономерностях развития оледенений.
Первый из них относится к
расположению оледенений относительно земной оси.
Если вследствие катастрофических вулканических извержений, заполняющих стратосферу пылью, или из-за других причин количество поступающей солнечной радиации заметно уменьшится и соответственно снизится температура, то на первый взгляд кажется, что оледенения должны начаться в высоких широтах, где температуры наиболее низки. Однако, как было указано выше, в неледниковую эпоху количество поглощенной радиации и связанные с ним средние температуры воздуха у полюсов и у экватора отличаются сравнительно мало. Поэтому при наличии особо благоприятных для оледенений форм рельефа и режима осадков в низких широтах ледяной покроев мог начать развиваться в районах, лежащих в тропической зоне. Такая возможность подтверждается выполненными нами расчетами теплового баланса и термического режима для гипотетического экваториалыного оледенения. Вместе с тем возможность устойчивого существования крупного оледенения вблизи экватора видна из того, что солнечная радиация, приходящая в летнее время в центральные районы Антарктиды, оказалась по данным наблюдений гораздо больше радиации, которая может поступать в любом сезоне любого района тропиков. Тем не менее летом в центре Антарктиды наблюдаются весьма низкие температуры, которые делают возможным длительное существование ледника.
Вывод о возможности развития крупных оледенений в тропической зоне уменьшает необходимость использования дополнительных гипотез, которые ранее привлекались для интерпретации этого явления.
С вопросом о возможности развития тропических оледенений определенным образом связан другой вывод о закономерностях режима оледенений, который заключается в установлении теоретической возможности полного оледенения земного шара. Произведенные нами расчеты позволили оценить, как изменится температура Земли, если ее поверхность на какой-то срок будет полностью закрыта снегом и льдом. Оказалось, что в таких условиях из-за громадного увеличения альбедо и повышения прозрачности атмосферы температура воздуха у поверхности Земли снизится примерно на 100° по сравнению с существующими температурами. Таким образом, Земля, покрытая снегом и льдом, будет находиться в состоянии устойчивого оледенения с очень низкими температурами на всех широтах. Можно сделать очевидный вывод, что реально имевшие место на протяжении истории Земли временные понижения прихода солнечной радиации были недостаточны для общего оледенения, которое могло бы совершенно изменить историю нашей планеты.
Таким образом, выясняется, что возможны два типа устойчивого термического режима Земли: первый — при полном отсутствии оледенений со сравнительно высокими температурами и слабо развитой термической зональностью; второй — при полном оледенении, связанном с очень низкими температурами.
Промежуточные состояния с частичным развитием оледенений и резко выраженной термической зональностью из-за постоянной изменчивости атмосферной и океанической циркуляции не могут быть вполне устойчивыми и должны рано или поздно перейти к одному из двух типов устойчивого режима. При этом чем меньшую часть поверхности земного шара занимают оледенения, тем более вероятным является их сравнительно быстрое с точки зрения геологического времени исчезновение, связанное с разрушением резко выраженной термической зональности.
Перейдем теперь к вопросу о возможности применения современных методов климатологического анализа для оценки перспектив активных воздействий на климат.
Известно, что в течение длительного времени влияние деятельности человека на климат было весьма ограниченным. Хотя некоторые хозяйственные мероприятия (орошение в засушливых районах, лесонасаждение, осушение болот и др.) приводили к определенным изменениям метеорологического режима, однако эти изменения были сравнительно невелики, отмечались только в самом нижнем слое воздуха и не оказывали существенного влияния на метеорологические процессы большого масштаба, определяющие генезис климата.
В начатых в последние годы исследованиях возможности преобразования климатических условий на обширных территориях выяснено, что в результате развития техники и энергетики изменения климата становятся не только возможными, но и до некоторой степени неизбежными. Это можно установить, в частности, сравнив природный энергетический баланс земной поверхности с количеством энергии, производимой человеком.
Основным показателем ресурсов энергии солнечной радиации, которые могут использоваться в различных природных процессах на земной поверхности, является радиационный баланс поверхности Земли, равный разности поглощенной солнечной радиации и количества уходящего длинноволнового излучения. По нашим последним расчетам, средняя величина радиационного баланса для всей поверхности суши равна примерно 50 ккал/см2 год. Эту величину следует сопоставить с количеством энергии, используемой сейчас человеком. Учитывая имеющиеся статистические данные, можно рассчитать, что соответствующее значение на единицу поверхности суши приблизительно равно 0,02 ккал/см2 год.
Для районов с плотным населением и с высоким уровнем промышленного развития количество энергии, используемой на единицу площади, значительно возрастает. По имеющимся данным можно установить, что в отдельных странах на площади в десятки тысяч квадратных километров количество используемой энергии достигает 1 ккал/см2 год, а на территории больших городов (площадью в десятки квадратных километров) — сотен ккал/см2 год.
Поскольку вся эта энергия превращается в тепло, то очевидно, что уже сейчас в некоторых районах количество тепла, поступающего в результате деятельности человека, сравнимо с энергией радиационного баланса. Такой фактор оказывает, в частности, существенное влияние на микроклимат больших городов, для которых характерно некоторое повышение температуры воздуха по сравнению с окружающими районами. Оно сравнительно невелико из-за действия атмосферной циркуляции, которая выносит избыток тепла за пределы города. При отсутствии горизонтального переноса воздуха его температура в промышленных центрах должна была бы резко повыситься.
Так как используемые энергетические ресурсы быстро возрастают, то тенденция к потеплению климата в наиболее населенных районах постепенно будет усиливаться.
В имеющейся литературе высказываются различные мнения в отношении темпов увеличения производства энергии в ближайшем будущем. В настоящее время ежегодный прирост производства энергии составляет 4%, причем некоторые исследователи предполагают, что вскоре этот прирост может возрасти до 10% и даже до еще больших величин (рис. 5). Из рис. 5 видно, что при увеличении производства энергии на 10% в год общее количество энергии, вырабатываемое человеком, превзойдет величину радиационного баланса раньше, чем через 100 лет, а при увеличении на 4% — через 150 лет. Такое положение может иметь место при широком использовании атомной энергии. В указанных условиях солнечная радиация уже не будет главным климатообразующим
фактором, поскольку основным источником тепла на земной поверхности станет энергия, вырабатываемая человеком.
Такой расчет, несмотря на его некоторую условность, показывает, что в будущем станут возможными самые широкие преобразования климата в наиболее выгодном для хозяйственной деятельности направлении.
Следует, однако, выразить уверенность, что первые крупные воздействия на климат будут осуществлены задолго до достижения уровня производства энергии, сравнимого с величиной радиационного баланса. Эти воздействия будут направлены на неустойчивые метеорологические процессы, ход которых может быть изменен при затрате сравнительно малых количеств энергии.
В 1962 г. в Главной геофизической обсерватории была проведена первая научная конференция по проблеме преобразования климата. Ее результаты подтвердили, что быстрый прогресс науки и техники открывает сейчас возможности для разработки методов изменения климата обширных территорий.
Исследования по проблеме преобразования климата, обсуждавшиеся на указанной конференции, относились к нескольким различным направлениям. Не имея возможности останавливаться сколько-нибудь подробно на их содержании, отметим только, что наиболее близкие перспективы воздействий на климат связаны с работами по искусственному образованию осадков посредством рассеивания в атмосфере твердой углекислоты и других реагентов. В многочисленных исследованиях, выполненных в нашей стране и за границей, были изучены физические условия, при которых такие воздействия оказываются успешными. Учитывая результаты этих исследований и используя теорию влагооборота, оказывается возможным оценить перспективы применения методов воздействия на осадки для изменения не только условий погоды в отдельных случаях, но и для преобразования климата в результате систематических воздействий.
Одновременно получены данные о возможности изменений термического режима атмосферы посредством воздействия на облака. Применение твердой углекислоты и других реагентов в определенных условиях позволяет рассеивать облачность, что оказывает заметное влияние на температуру воздуха. В северных районах, где тепла недостает, рассеивание облаков в летнее время может иметь существенное практическое значение.
Другой путь воздействия на режим осадков связан с изменениями состояния подстилающей поверхности, включающими, в частности, изменения сумм испарения. Современными исследованиями влагооборота установлено, что местное испарение даже в пределах довольно обширной территории составляет очень небольшую часть от общего количества водяного пара, переносимого в атмосфере над этими территориями. Это ограничивает возможность воздействия на влагооборот и осадки путем изменения испарения. Вместе с тем известно, что при особенно благоприятных условиях небольшие изменения количества водяного пара могут привести к образованию осадков. Поэтому вопрос об изменениях режима осадков при осуществлении таких мероприятий, как искусственное орошение, имеет практическое значение, особенно в связи с тем, что сейчас планируется орошение обширных засушливых территорий нашей страны.
Наряду с мероприятиями, связанными с изменениями состояния подстилающей поверхности, можно назвать еще ряд изучаемых в настоящее время методов воздействия на климат, причем некоторые из этих методов могут оказаться осуществимыми в сравнительно близком будущем. К их числу относятся прямые воздействия на воздушные течения с целью изменения траекторий движения воздушных масс, рассеивание в атмосфере тонкой пыли, которая может изменить радиационные потоки, воздействия на электрические процессы в атмосфере и некоторые другие.
Значительный интерес представляет вопрос о возможности воздействия на ледяной покров Северного Ледовитого океана, что в последнее время обсуждалось в печати. Этот вопрос тесно связан с первой частью данного сообщения.
Как было отмечено выше, уничтожение арктического ледяного покрова могло бы привести к восстановлению климатических условий доледниковых эпох, когда температуры воздуха в высоких и низких широтах северного полушария различались сравнительно мало.
Вопрос о целесообразности такого мероприятия, как уничтожение полярного льда, очень сложен. Следует иметь в виду, что после уничтожения льдов кроме значительного потепления в высоких широтах должен существенно измениться режим осадков. При этом уменьшение контрастов температуры между полюсом и экватором приведет к ослаблению интенсивности циркуляции, что может способствовать уменьшению сумм осадков в ряде континентальных районов.
Для выяснения всех возможных последствий уничтожения ледяного покрова Северного Ледовитого океана необходимы детальные исследования. Можно думать, что если установленные в результате таких исследований последствия изменений климата будут признаны достаточно благоприятными, то проблема уничтожения полярных льдов приобретет практическое значение.
Разработка методов осуществления такой задачи является делом будущего, однако уже сейчас можно высказать несколько предварительных соображений по этому вопросу. Количество энергии, необходимое для таяния полярных льдов, хотя и не является недоступным для атомной энергетики будущего, однако очень значительно, даже если иметь в виду, что для исчезновения ледяного покрова Арктики нет, по-видимому, необходимости уничтожать весь этот покров искусственным путем. Анализ теплового баланса полярных льдов показывает, что они являются сравнительно неустойчивым образованием. Сокращение поверхности льда приводит к увеличению поглощения солнечной радиации, что способствует дальнейшему разрушению ледяного покрова. Если площадь льда уменьшится до некоторого критического размера, то оставшийся лед исчезнет естественным путем в результате значительного повышения температуры воды и воздуха.
Наибольшее значение могут иметь методы уничтожения льдов, не требующие затрат очень больших количеств энергии.
Из таких методов представляет интерес возможность изменения альбедо поверхности льда. Расчеты теплового баланса показывают, что если можно было бы на один или два года существенно уменьшить альбедо ледяного покрова, то достигнутое в результате этого увеличение поглощенной радиации было бы достаточно для полного таяния морских льдов. Из других возможных путей воздействия на полярные льды следует отметить предложение о применении мономолекулярных пленок на поверхности воды, уменьшающих испарение. Поскольку в арктических морях на свободных от льдов пространствах значительная часть энергии радиационного баланса расходуется на испарение, то уменьшение последнего приводит к заметному повышению температуры воды. При этом происходит повышение температуры воздуха, тем большее, чем большая поверхность воды покрыта пленкой. Нагревание воздуха над свободной от льдов части морей может оказывать определенное влияние на режим льдов.
Предложения такого рода сейчас изучаются с целью выяснения их эффективности и оценки возможности преодоления больших технических трудностей их осуществления.
В заключение отметим, что проблема воздействий на климат, которая еще недавно считалась перспективой отдаленного будущего, сейчас превращается в одну из центральных проблем климатологии и метеорологии. К работам по этой проблеме привлечен ряд научных институтов и в них участвуют много крупных специалистов гидрометеорологов, географов и геофизиков. Это позволяет надеяться, что в ближайшее время будут разработаны проекты, осуществление которых положит начало преобразованию климата нашей страны.
—Источник—
Развитие и преобразование географической среды. М.: Наука, 1964
Автор: М. И. Будыко
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
