Планетарий: Климат-контроль

Самая красивая планета солнечной системы — Земля как среди своих соседей-планет, так, возможно, и среди обитателей всей галактики, является совершенно уникальной благодаря огромному разнообразию форм жизни, существующему на ней. Пригодной же для существования этой жизни Землю делает климат, который в свою очередь представляет собой результат чрезвычайно сложных взаимодействий атмосферы, океанов, суши, живых организмов и солнечной активности.

На протяжении всей истории нашей планеты ее климат неоднократно менялся. Примерами того могут служить и Ледниковый период, и так называемый Маундеровский минимум, и промежуточные теплые периоды. Ряд подобных изменений происходит в глобальном масштабе, другие же являются локальными или происходят только в определенном полушарии. Земной климат и погода на нашей планете регулируются балансом между количеством солнечного света, полученного поверхностью и атмосферой Земли, и количеством энергии, излученной всей нашей планетой в пространство. Если из общего количества солнечной энергии, получаемого Землей от Солнца, вычесть общее количество отраженного солнечного света и тепло, излученное Землей, получится величина, называемая земным энергетическим бюджетом. В том случае, если этот бюджет сбалансирован, климат не испытывает заметных изменений. В то же время существует множество естественных факторов, которые влияют как на приходящий солнечный поток, так и на уходящее от Земли излучение и как следствие — на климат.

Важно понять эти факторы, чтобы оценить влияние человеческой деятельности на климат.

В энергетическом балансе крайне важную роль играет земная атмосфера. Она обладает способностью почти полностью поглощать излучение Солнца как в ультрафиолетовой, так и в инфракрасной областях спектра, и практически прозрачна для интенсивного излучения в области так называемого оптического окна. Именно это свойство атмосферы имеет исключительное значение для эволюции земной органической жизни, а также для обеспечения на ней теплового и светового режимов.

В безоблачный яркий день поверхности Земли достигает около 80% солнечного излучения. Некоторая его часть отражается обратно в атмосферу, оставшееся же количество поглощается различными частями климатической системы — атмосферой, океанами, льдом, сушей и всевозможными формами жизни.

В свою очередь, нагретая Солнцем Земля сама излучает энергию, значительная доля которой задерживается атмосферой и возвращается обратно к Земле. Благодаря этому вблизи земной поверхности и поддерживается равновесная температура, благоприятная для развития органической жизни. Способность атмосферы сохранять тепло у поверхности называют парниковым эффектом — она, подобно стеклу парника, пропускает видимое излучение от Солнца и не дает выйти наружу инфракрасному излучению. Причем без естественного парникового эффекта средняя температура Земли находилась бы на отметке около –18°С вместо +14°С.

Парниковый эффект — это результат поглощения тепла определенными газами (они называются парниковыми), находящимися в атмосфере, и переизлучением обратно к Земле части этого тепла. Наиболее важный из парниковых газов — водяной пар, за ним следуют углекислый газ (СО2), метан и небольшие примеси других газов. Водяной пар возникает от естественного дыхания, отпотевания и испарения, его содержание в атмосфере повышается с увеличением температуры земной поверхности.

Углекислый газ поступает в атмосферу в результате распада материалов, дыхания растительной и животной жизни, а также природных и внесенных человеком продуктов. Удаляется же он из атмосферы фотосинтезом и поглощением океана. Бурение антарктического ледяного щита, позволившее определить содержание СО2 в атмосфере за последние 400 000 лет, выявило удивительную стабильность его концентрации, хотя были, конечно, и некоторые периоды его колебания. Исследователи, работавшие в Антарктике, предполагают, что Земля, вероятно, обладает некой системой автоматического саморегулирования концентрации СО2 в атмосфере. Она успешно «работала» лишь до той поры, пока не началась эпоха индустриализации, приведшая к поглощению углеродного топлива во все возрастающих объемах.

Метана — наиболее эффективно «запирающего» тепло газа, в атмосфере значительно меньше, чем углекислого газа. Метан является результатом распада материи без доступа кислорода. Главные его источники — заболоченные местности, рисовые плантации, остатки пищеварения животных и гниющий мусор. Что касается окиси азота, то ее основные источники — почвы и океаны.

Бурное развитие новых технологий привело к появлению новых парниковых газов и новых источников для уже существующих. И хотя рукотворные парниковые газы, такие как галогенуглеродные соединения, были «придуманы» лишь в течение последних 100 лет, их вклад в парниковый эффект достаточно весом. Незначительная концентрация в атмосфере парниковых газов означает, что ее относительное количество легко может измениться, но даже такие минимальные атмосферные изменения могут быть очень важны. Высокая эффективность, с которой эти газы «запирают» инфракрасное излучение, вызывает беспокойство прогрессирующим увеличением их в атмосфере, поскольку ведет к изменениям средней глобальной температуры. Поэтому есть предположения, что увеличение парникового эффекта может привести к значительным изменениям в экосистеме вообще. Иными словами, глобальное увеличение температуры, наряду со многими другими соответствующими изменениями в климате, представляют собой единую проблему, именуемую глобальным потеплением.

Облака (видимые собрания мелких частиц или льда, взвешенных в атмосфере), и в их числе мелкие атмосферные частицы — аэрозоли, являются одними из наиболее очевидных и важных факторов, воздействующих на земной климат, но в то же время и одними из самых переменных его компонентов. Облака обладают способностью влиять как на приходящие к Земле, так и на уходящие с ее поверхности потоки энергии. С одной стороны, облака отражают поступающее солнечное излучение (это ведет к охлаждению климата), а с другой — помогают удерживать энергию, которую Земля могла бы излучить в космическое пространство (вносят вклад в парниковый эффект). Помимо этого, облака играют ключевую роль в водном цикле Земли.

Для формирования облаков необходимо присутствие водяного пара и аэрозолей, которые в изобилии присутствуют в атмосфере Земли. Водяной пар, или вода в своем газовом состоянии, доставляется с поверхности в атмосферу благодаря испарению (процесс, помогающий воде испаряться из крошечных отверстий на листьях растений в процессе их дыхания).

Энергия, забираемая от поверхности Земли испаряющейся водой, называется скрытым теплом, оно освобождается, когда водяной пар при образовании облаков снова превращается в капельки воды. Это явление — один из способов, которым земная поверхность передает в атмосферу излишки тепла, полученного от Солнца. Незначительные, казалось бы, изменения в облачном покрытии на самом деле оказывают немалое влияние на баланс всей земной энергии, поэтому так важно понять и принцип глобального распределения облаков, и его связь как с региональным, так и с глобальным климатом.

Свойства облаков теснейшим образом связаны с аэрозолями. Некоторые из них возникают естественным образом — из проснувшихся вулканов, пылевых штормов, лесных и степных пожаров, живущей растительности и даже морских брызг. Увеличению аэрозолей способствуют также сжигание природного топлива и изменение природных покрытий земной поверхности.

Удаляются же аэрозоли из атмосферы облачными и осадочными процессами. Так как большая часть аэрозолей отражает свет обратно в пространство, они имеют «прямой» охлаждающий эффект, вызывая ослабление солнечного излучения, достигающего земной поверхности. Величина этого охлаждения зависит от размеров и состава аэрозольных частиц, а также от отражательных свойств нижележащей поверхности. Предполагается, что в какой-то мере аэрозольное охлаждение можно противопоставить предполагаемому глобальному потеплению. Кроме того, аэрозоли могут хоть и «не прямо», но все же влиять на климат, изменяя свойства облаков.

Действительно, если бы в атмосфере не было аэрозолей, то не было бы и облаков — облачные капли без наличия малых аэрозольных частиц, действующих подобно «зернам», формирующим их, не могли бы возникнуть.

Когда концентрация аэрозоля в пределах облака увеличивается, вода в нем распределяется на много большее число частиц (общее количество сконденсированной воды в облаке практически неизмененно), и «средняя капля» становится меньше. Облака с малыми каплями сильнее отражают солнечный свет и «держатся» дольше, так как требуется больше времени для того, чтобы маленькие капли объединились в достаточно большие и выпали на землю в виде осадков. Такие облака увеличивают количество солнечного света, отраженного в пространство, — до 90% видимого излучения отражается назад в пространство, не достигая поверхности Земли.

Облака с низкой аэрозольной концентрацией и достаточно крупными каплями воды плохо рассеивают свет и позволяют большему количеству солнечного света пройти сквозь них и достичь поверхности. Аэрозоли также находятся в стратосфере (часть атмосферы над тропосферой). Так как в стратосфере не бывает дождей, то аэрозоли могут оставаться здесь по многу месяцев, уменьшая поток приходящего солнечного излучения.

Возможно, что именно они вызывают падение летних температур ниже нормальных. Поэтому крайне важно понять, каким образом аэрозоли влияют на региональный и глобальный климат, определить относительное влияние на него как естественных, так и созданных человеком аэрозолей, а также выяснить, в каких регионах планеты количество аэрозолей увеличивается, в каких уменьшается, а в каких остается относительно постоянным.

Десятки тысяч метеостанций и постов, разбросанных по всему миру, собирают информацию о погоде и климате на Земле. Однако даже на территории отдельных материков распределены они крайне неравномерно, поэтому глобальную метеорологическую картину получить пока трудно. Существуют и долгосрочные программы изучения облаков, выполняемые наблюдателями с поверхности Земли и дающие крайне важные сведения в области различных облачных явлений, но для того, чтобы провести полное и детальное исследование, их все же недостаточно.

Создание космических метеорологических систем, оснащенных оптико-электронной аппаратурой, работающей в видимом и инфракрасном диапазоне спектра, да и многоканальные радиометры, бесспорно, уже внесли свой вклад в пополнение детальной базы данных среднего глобального облачного покрытия и типов облаков. Но пространственное разрешение подобной аппаратуры ограничивается расстоянием примерно в 4 км и имеющиеся в наличии данные ограничиваются лишь двумя длинами волн: одна — в видимой, другая — в инфракрасной областях спектра. И хотя и эти данные позволяют делать оценки формы облаков, облачного покрытия и оптической толщи (количество солнечного света, проходящего через облако), все равно их недостаточно для того, чтобы точно смоделировать роль облаков в изменении климата.

Чтобы точно понять принцип распределения облаков, необходимы наблюдения с пространственным разрешением около 250 метров. Только с помощью таких наблюдений можно получить и размеры облачных частиц, и более точные оценки влияния облаков на излучение. А так как облака отражают свет неравномерно по всем направлениям, необходимы также и методы, позволяющие выполнять наблюдения с нескольких углов зрения.

Для создания надежных климатических компьютерных моделей, способных предсказать причины и следствия изменений климата, необходимы различные измерения во всех точках земного шара за длительный период времени.

В 1986 году для изучения энергетического обмена между Солнцем, Землей и космическим пространством были запущены 3 спутника под общим названием ERBE. Данные, полученные в ходе этого эксперимента, помогли ученым понять, как меняется количество энергии, излучаемой Землей, от дня к ночи.

В 2000 году приступил к сбору информации, которая должна стать целой серией глобальных данных о нашей планете, новый космический аппарат «Терра», несущий на своем борту специальные инструменты (ASTER, CERES, MISR, MODIS, MOPITT). Спектрорадиометр изображения умеренного разрешения (MODIS) и многоугольный спектрорадиометр (MISR) способны предоставить возможность рассмотреть особенности облаков с высоким разрешением (до 250 м). Оба эти инструмента производят наблюдения в нескольких длинах волн электромагнитного спектра, давая возможность оценить размеры капель, важных для понимания оптических и физических свойств облаков. Помимо этого, с целью детального исследования частицы в воздушных массах совместно с MISR будут проводиться наблюдения и на Земле, и со специально оборудованных самолетов. MISR — глобальный аэрозольный мониторинг — позволит изучить баланс земной энергии и обеспечит входные данные для компьютерных моделей как региональных, так и глобального изменения климата.

Совсем недавно в помощь «Терра» был запущен научный спутник «Аква», цель которого — собрать информацию о воде в Земной системе. Шесть инструментов «Аква» будут следить за циркуляцией океана, а также за тем, каким образом изменения облаков и водной поверхности влияют на климатическое соcтояние планеты.

И пусть современные модели глобального климата все еще далеки от реальности, всесторонние исследования атмосферы нашей планеты будут продолжаться и в дальнейшем. Землянам совершенно необходимо выяснить, каковы причины и следствия изменения климата, и прежде всего для того, чтобы ни в настоящем, ни в будущем не создавать угрозы для существования жизни на нашей планете.

Людмила Князева