Дерзкие мысли о климате

Хуже, когда раскрытие и объяснение каких-либо из климатоформируюших факторов и их взаимосвязей сдерживается всего лишь невнимательным отношением к физическим законам, истинность которых уже не вызывает сомнений, например, к закону сохранения и превращения энергии. Этот закон формируется так: количество тепла Q, сообщаемое выделенной нами термодинамической системе, равно сумме прироста ее энергии ?U и работы А, совершаемой в системе или

Q = ?U + А,

где работа (всякое движение) в природе более вероятно является частью какой-то внешней превращенной энергии (например, тяготения).

В большинстве известных работ по тепловым балансам учитывается лишь прямая связь теплового состояния земной поверхности с количеством поступающего солнечного тепла и отдачей усвоенной теплоты, но не обращается внимание на то, что всякое движение во внешних сферах Земли (движение воздуха, воды, гравитационная стратификация масс, жизнедеятельность биосферы и т. д.) это есть тоже превращенная в работу энергия, не учитывая которую можно допустить промах, ведущий в тупик незнания истинной природы того или иного явления.

Но, пожалуй, самая трудно преодолимая препона, не только климатолога, но и любого неординарного исследователя всякой значительной научной проблемы, ждёт на выходе в свет её решения.

Это – жесткое сопротивление со стороны ученого мира, нередко ныне раболепствующего перед ортодоксальными представлениями, исподволь перерождающимися в догмы. Царство научных авторитетов, удерживающих с помощью своих помощников, учеников и почитателей монополию на не всегда достаточно доказанные теории, часто вовсе закрывает выход в свет всякой новой мысли в той или иной области знаний. Достойно сожаления, что такое состояние ныне практически поддержано президентским Указом о статусе Академии наук СССР. А ведь это и ранее приносило ущерб развитию знаний в нашей стране.

В этих условиях дельная мысль сходу отвергается, если её автор не является дипломированным специалистом. Так случилось и с ныне известной ледниковой теорией советского капитана дальнего плавания С. Е. Гернета. Разработав её концепцию в начале 30-х годов, он не встретил поддержки в своей стране и вынужден был опубликовать книгу в Японии, где русский текст ему пришлось набирать самому. Книгу заметили писатели, в том числе К. Г. Паустовский, но до наших дней она оставалась неизвестной для ученого мира, в том числе и для большинства советских гляциологов, но данная теория была заново и независимо разработана за рубежом и признана. Честь восстановления правды об авторе этой ледниковой теории принадлежит О. П. Чижову (Гернет,1981).

Удивительно, но печальная судьба новой научной мысли в нашей стране стала оправдываться даже как философски предопределенное явление. Разве не должно естествоиспытателя насторожить (но не обезоружить)? Такое неожиданное заключение философского характера (Вопросы философии, 1977, № 12; 1979, № 5): «Чем существенней полученный автором результат, тем вернее рукопись будет отклонена рецензентом как бесполезная и, следовательно, неинтересная, если он придерживается иной, чем существующая точка зрения на перспективы развития». Такое заключение равносильно признанию, что якобы уже пришла пора отказаться от всякого авторитета совестливости и общественных законов.

Автор сполна испытал эти препоны научного творчества и имеет веское основание заключить, что кроме полезного овладения многими специальностями настоящий исследователь должен научиться преодолевать субъективные тупики познания, то есть стать борцом за свои идеи, научиться находить и владеть мирным оружием, каким являются доказательные факты.

Но вернемся к проблеме климата.

1.3. Современный и будущий климаты по оценкам гляциологов

Раз уж мы начали рассматривать проблему изменения климата с познаний гляциологии, накопившей большое число свидетельств об его прошлом и потому внушающих доверие, то вернемся к оценкам гляциологов.

Если мы знаем каким и когда бывал климат и хотим знать, как он может измениться, то в первую очередь необходимо определить каков он есть сейчас в череде своего непостоянства. Некоторые черты современного климата с точки зрения гляциологии особой загадки не представляют.

Одной из первых, ознакомившей широкого читателя с этим вопросом, была интересная книга В. М. Котлякова (1966), ныне ставшего маститым ученым с неофициальным титулом «главного гляциолога» нашей страны. Книга была озаглавлена вопросом: «Мы живем в ледниковый период?». Поставленный на её обложке вопрос в известной мере оказался ответом. Действительно мы живем не в термоэре, хотя еще и не в полном развитии оледенения. Однако около 11 % суши сейчас покрыто ледниками, 2 % всего объёма воды на Земле находится в постоянно оледеневшем состоянии (что равно стоку всех рек мира за 650…700 лет) и, наконец, до 15 % всей поверхности Земли ежегодно покрывается сезонным снегом и льдом. И не известно, смогли ли бы мы догадаться о былых оледенениях Земли, если бы в наше время не было столь очевидных свидетельств их существования.

Подспорьем для суждений о прошлых климатах является статистика, базирующаяся на информации о хронологии последних оледенений, полученной путём анализа колонок донных грунтов океана. Считается, что в донных слоях фиксируются временные интервалы периодов, когда состав осадков изменялся из-за охлаждения или прогревания верхних слоев океана. По органическим осадкам удается довольно близко определить и температуру воздуха прошлых лет (эпох).

Далее, позаимствуем обобщения, сделанные американцами отцом и дочерью Имбри в их прекрасной книге, переведенной на русский язык «Тайны ледниковых эпох», в которой обобщены результаты множества исследователей (Имбри, 1988).

Из этих обобщений следует, что ни один из безледниковых периодов на Земле в последний примерно миллион лет не держался более 12 000 лет, большинство же их продолжалось около 10 000 лет. Опираясь на эту статистику, можно сделать вывод, что наша относительно теплая эпоха, начавшаяся 10 000 лет назад уже заканчивается и в ближайшие 2 000 лет должна смениться увеличением оледенения.

Если судить по ходу изменений средней температуры воздуха, то наиболее теплый период приходится на 7 000 лет назад, после которого температура испытывает постепенное ступенчатое общее понижение вплоть до возникновения «малого ледникового периода», произошедшего около 300 лет назад. В этот период отчасти заселившаяся людьми Гренландия оказалась полностью отрезанной льдом от обжитых материков, сельское хозяйство Исландии настолько пришло в упадок, что рассматривалась необходимость переселения исландцев в Европу.

Затем температура снова повысилась, но тенденция общего охлаждения сохраняется. Если она сохранится и далее, то общеземная температура примерно через 18 000 лет понизится на 6 °C от современной и достигнет значений, характерных для ледниковых эпох.

Тенденции к существенным изменениям температуры имеют и более короткие периоды. Например, американский климатолог М. Митчелл, обобщив данные метеостанций мира, показал, что, начиная с 1940 года климат северного полушария холодал на 0,3 °C за 20 лет. Если эта тенденция сохранится далее, то температура снизится до уровня ледникового периода всего лишь за 700 лет. Однако уже в середине 1970 года указанная тенденция стала угасать. Поэтому вера в показания кратковременных тенденций к изменениям климата оказалась основательно подорванной.

Автор охотно соглашается с Имбри, что более надежную основу для прогноза будущих изменений климата даёт астрономическая теория ледниковых эпох, поскольку изменения температуры здесь напрямую связываются с изменениями инсоляции, в свою очередь прямо зависимую от положения Земли относительно Солнца. Важно только распутать сложность этих зависимостей в замысловатых, но наперед известных движениях Земли вокруг Солнца и вокруг собственной оси. Имбри это кажется удалось сделать, после чего он и предложил свой прогноз похолодания. Через 22 000 лет оледенение достигнет своего очередного максимума. Это вовсе не значит, что такая общая тенденция не будет прерываться малыми циклами потеплений и оледенений, причины которых до сих пор во многом остаются неясными. Здесь опять кое-что даёт необъясненная, но беспристрастная статистика, что всё же лучше, чем гадание на пальцах.

Детально исследуя отложения горных ледников, американские ученые Д. Дентон и В. Карлен пришли к заключению, что на длительную тенденцию последнего похолодания, с определенными интервалами накладывались попеременные циклы менее длительных чередований холодных и теплых периодов. Холодные пики приходились на 250, 2 800, 5 300, 8 000, 10 500 лет назад от нашего времени. На основании этого заключения ученые выдвинули гипотезу о существовании особого «цикла малого ледникового периода», который имеет продолжительность в 2 500 лет.

Гипотеза гипотезой, но статистика вещь упрямая, она отражает реальность, поэтому вероятно, что уже наступающий цикл короткого потепления скоро должен будет подавить охлаждающий эффект последнего астрономического цикла и привести к тому, что на протяжении ближайшей тысячи лет средняя температура на Земле будет немного расти. И лишь после этого оба фактора (астрономический и статистически предсказываемый) начнут действовать в одном направлении и верх возьмет длительная тенденция к оледенению, которая и приведет через 22 000 лет к новой ледниковой эпохе (рис. 1).

Рис. 1. Климат последних 10 000 лет.

График показывает – основные тенденции в изменениях глобальной температуры по данным о колебаниях ледников и изменениях растительности.

Во время климатического оптимума температура была приблизительно на 2 °C выше современной. А около 300 лет назад во время, так называемого «малого ледникового периода», эта температура была ниже современной (по. Дж. Имбри и К. П. Имбри, 1988).

Вот, пожалуй, и есть то главное заключение о возможном естественном развитии будущего климата, которое сделали Джон Имбри и Кетрин Палмер Имбри.

К сожалению, самостоятельные и обоснованные заключения гляциологов ныне прочно попали в плен широко оповещенного мнения об угрозе антропогенного разогрева атмосферы под воздействием увеличивающейся концентрации углекислого газа. Не считая такое мнение своей областью знаний, гляциологи согласились с ним и включились в общий хор голосов о не совсем ясной угрозе возрастания парникового эффекта, которая якобы может нарушить все их прогнозы.

Но, что будет, если предстоящее на ближайшую тысячу лет потепление мы огульно объявим лишь влиянием человека, забыв, что оно предсказано гляциологами на основе естественного хода развития климатических явлений? В этом случае люди, надо думать, примут меры, которые могут ускорить и усугубить развитие далее непредсказуемых изменений климата. Поэтому для человека нет ничего более важного, как хорошо изучить все механизмы, управляющие климатом. Поймем это – научимся точнее предсказывать и изменения климата, наконец, не исключено, что научимся и управлять им!

Глава 2. Оценим давно известное и нечто новое

… если у вас есть яблоко и у меня есть яблоко и мы обменяемся этими яблоками, то у вас и у меня останется по яблоку. А если у вас есть идея и у меня есть идея и мы обменяемся этими идеями, то у каждого будет по две идеи.

    Бернард Шоу

Среди большого числа факторов, определяющих климат, ведущими традиционно считаются: радиационные процессы, перенос тепла атмосферой и целый ряд термодинамических свойств и состояний земной поверхности.

Рассмотрим их, не обходя стороной неясные моменты общепризнанных толкований.

2.1. Наклон солнечных лучей и климат

Величиной наклона лучей, достигающих земную поверхность на разных широтах, ещё со времен Древней Греции объясняется основная причина различий климатов. Это обусловливается тем, что плотность светового потока на наклонную по отношению к источнику света плоскость уменьшается с увеличением угла наклона и тем, что косо направленный к поверхности Земли луч вынужденно преодолевает увеличенный слой атмосферы, в котором он соответственно больше теряет свою энергию. Эти объяснения представляются бесспорными, ибо все мы знаем, что чем ниже к горизонту находится Солнце, тем оно меньше греет. Но эти объяснения иногда подвергаются сомнению на том основании, что в полярных областях лучи Солнца, постоянно оставаясь косыми, светят непрерывно в течение всего полярного дня, а поступающее при этом количество солнечной энергии в сумме оказывается значительным и даже превосходит суточную дозу освещения более низко расположенных широт. И это верно. Такую точку зрения можно подкрепить еще одним аргументом. Тот, кому приходилось бывать в любой из полярных областей в глухую пору полярной ночи, всегда обращал внимание на то, что эти длинные ночи бывают далеко не такими темным, и какими бывают «черные» ночи низких широт. Объясняется же это тем, что полярные области никогда не уходят в глубокую тень Земли и даже зимой солнечные лучи здесь освещают самые верхние слои атмосферы. В ночном полете с высоко летящего над советским сектором Арктики самолета ещё до наступления полярного дня можно увидеть Солнце, освещающее Землю со стороны американских континентов. Этому немало способствует не только положение самого Солнца, но и рефракция лучей, а отчасти и приближенность полярных областей на 24,4 км к центру земного шара против экваториальных широт. Следовательно, в среднем в году пути солнечных лучей оказываются всегда ближе к полярным областям, чем к экватору.

Близостью солнечных лучей к поверхностям полярных стран кажется можно объяснить и тот известный факт, что над ними стратосфера имеет почти вдвое более высокую температуру, чем над экватором. Различие между основными слоями атмосферы (тропосферой, стратосферой и ионосферой) в основном определяется особенностями взаимодействий между частицами газов, в том числе и количеством образующегося озона. В свою очередь озон образуется в результате диссоциации молекул кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца. И не потому ли слой озона над полярными областями оказывается плотнее, чем на иных широтах, что здесь стратосфера в течение года намного дольше освещается Солнцем?

В среднем за год самые высокие слои атмосферы над полюсами получают солнечного тепла в 2 раза больше, чем над экватором. Поскольку речь идёт о нагревании, взвешенных частиц в крайне разряженной среде, а не поверхностей, то разность наклона лучей здесь уже не имеет определяющего значения, и если бы нагревание стратосферы имело какое-либо климатоформирующее значение для поверхностей Земли, то можно было бы заключить, что со стороны стратосферы полярные области Земли обеспечиваются теплом намного больше, чем её экваториальный пояс. На самом деле стратосфера беспрепятственно пропускает через себя практически весь лучистый теплообмен Земли с космическим пространством, перехватывая от него лишь крохи, не играющие какого-либо ощутимого значения для термики земной поверхности.

Но вернемся к сравнению наклонов лучей, падающих на земную поверхность. Если оценивать строго, то всего 2 раза в году Солнце переходит зенит (каждый раз в новом месте) лишь на части сферы, ограниченной тропиками между 23°27? северной и южной широт. В остальное время года солнечные лучи всюду имеют тот или иной наклон, зависимый от географической широты, времени года и суток. Следовательно, вообще наклон лучей – это обычное состояние освещенности всех участков вращающегося шара от одного источника света, а зенит для них – редкое исключение в таком состоянии. Там и в тот день, когда Солнце переходит зенит, достигается наименьший средний за световой день наклон его лучей, равный 45°. При летнем солнцестоянии в северном полушарии (22 июня) средний за световой день (чуть больше 12 часов) наклон лучей на экваторе составляет уже только 33,3°. Но в этот же день на Северном полюсе в течение круглых суток наклон лучей составляет 23,5°. В результате в этот день суточная сумма солнечного тепла на полюс поступает на 36 % больше, чем на экватор.

За три летних месяца Северный полюс получает от Солнца тепла больше, чем экватор, приблизительно на 8 %. За счет внутригодового сокращения расстояния между Землей и Солнцем на 3,3 % соответственно еще больше получает тепла Южный полюс летом. Изложенное как раз и наводит на мысль: достаточно ли обоснована принимаемая зависимость климата от различий наклона солнечных лучей, если из приведенных оценок следует, что потенциальная возможность поступления какого-то количества тепла к земной поверхности определяется не только углом наклона лучей, но и длительностью их свечения, то есть в конечном счете суммой радиационного тепла, поступающего к сферам Земли за период их освещения.

Но в таком случае надо вспомнить, что любая точка поверхности земного шара, независимо от изменений длительности дня, в течение года освещается равное суммарное время. В то же время среднегодовые наклоны лучей за периоды освещения существенно различаются и составляют для полюсов около 12°, для экватора – более 39°. Следовательно, как бы мы ни оценивали значимость различий наклонов лучей, нам ничего не остается как признать, что в среднем в году полярные широты получают солнечного тепла в 3,2 раза меньше, чем тропические.

Рис. 2. Несмотря на значительную напряженность летней суточной радиации на полюсах Земли, суммарной радиации тепла за год сюда поступает в 3,2 раза меньше, чем на экватор, что следует из графиков напряженности радиации.

Если по рис. 2 сравнить площади, оконтуренные рамкой графика и годовыми линиями напряженности солнечной радиации на экваторе и одном из полюсов, то получим ту же разность в приходе солнечного тепла к этим разным географическим областям Земли.

На самом деле полюсы получают тепла от Солнца существенно меньше из-за большой отражательной способности (альбедо) снега и льда. Можно принять, что альбедо морского льда в околополюсном пространстве северного полушария составляет 0,5 (отношение отражательного светового потока к поглощенному), а альбедо сухого снега на Антарктиде – 0,8. Альбедо преимущественно водной поверхности океана в приэкваториальных областях составляет приблизительно 0,1. Из этого следует, что за счет различий альбедо северная околополюсная область получает солнечной радиации в 5 раз меньше, чем экваториальная, а южная даже в 8 раз. В результате совместных различий (наклона лучей и альбедо) северная полярная область получает солнечного тепла в 16 раз, а южная в 25 раз меньше, чем приэкваториальные области. Эти соотношения в каждом конкретном случае могут существенно изменятся облачностью, в свою очередь отражающей значительную долю солнечной радиации и местным альбедо, но их среднестатистические показатели сохраняются постоянными. Заметим, что указанные соотношения не во всем согласуются с известными обобщенными данными приборных определений радиационных балансов, однако далее мы остановимся и на оценке последних.

По сравнению со средними широтами полярные области получают тепла уже в 4…7 раз меньше. Значит, если бы на полюсах не было снежно-ледяных покрытий и альбедо было бы таким же, как в среднем на всей Земле, то разница в поступлении тепла между экватором и полюсами была бы всего трехкратной, то есть такой, при которой, судя по приходу радиационного тепла, существуют сейчас вовсе незамерзающие моря средних широт. Отсюда сам собой напрашивается вывод, что при отсутствии льда и снега полярные водоёмы и в современную эпоху кажется не должны бы замерзать. Видимо отсюда, да и из данных палеогеографии исходит довольно распространенное мнение, что оледенения полярных областей Земли – вообще события менее характерные, чем хранение их в безлёдном состоянии и, что причиной их привычного для нас оледенения является сам сохраняющийся лёд. Здесь, еще кроется неясность, решению которой мы уделим внимание далее. На изменениях инсоляции вследствие изменения эксцентриситета земной орбиты и их климатических последствиях остановимся особо.

Однако мы ещё не будем знать некоторых важных явлений, связанных с наклоном лучей, если не обратим внимание на то, что только наклон земной оси по отношению к плоскости, в которой движется Земля вокруг Солнца (эклиптики), на те же 23°27? является причиной смены времен года от зимы к лету.

Но об этом дальше.

2.2. Циркуляция атмосферы и перенос тепла ЕЮ

Ведущие теоретические разработки в области физики атмосферы представляются не только далекими от завершения, но и, пожалуй, изрядно запутанными. В первую очередь это относится к объяснению причин общепланетарной циркуляции атмосферы с запада на восток, то есть общего движения воздушных масс, обгоняющего вращение самой Земли. Формально используя термин «глобальная циркуляция», специалисты физики атмосферы кажется не все признают факт существования этого явления в прямом смысле этого термина.

Но очевидно, что такое явление существует, и можно назвать множество свидетельств о преобладании одностороннего смещения воздушных масс с запада на восток и даже примеров его прямого использования в науке, практике и военном деле, независимо от полноты объяснения его природы.