Член-корреспондент РАН Владимир ЗУЕВ, заместитель директора по научной работе Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (Томск)

Все чаще на вопрос, что происходит с климатом нашей планеты, ученые не могут дать однозначного ответа. Достигла ли современная цивилизация такого потенциала, чтобы влиять на климат, или это большое преувеличение? Насколько человечество ответственно за происходящие процессы? В какой степени рост глобальной температуры обусловлен антропогенным увеличением содержания в атмосфере углекислого газа, обладающего парниковым эффектом? Наблюдаемое в последнее десятилетие явное рассогласование в динамике этих двух климатических параметров не вписывается ни в один прогнозный сценарий. Что же ждет нас в обозримом будущем - глобальное потепление и всемирный потоп в результате таяния ледников или новый ледниковый период?

Мы являемся свидетелями ускорения темпов глобальных изменений климата, усиления климатических контрастов, увеличения частоты и амплитуды проявлений экстремальных погодных явлений: ураганов, наводнений, аномально длительных засух, приводящих к лесным пожарам. Все это приводит к изменениям ландшафтов - среды нашего обитания, усиливая стресс для всего живого на планете. В результате повышается вероятность безвозвратных потерь наиболее слабых и незащищенных звеньев биосферы, которые ведут к нарастанию разрушительных процессов подобно лавинному камнепаду, начинающемуся с подвижки одиночных камней. Наименее защищенными являются экосистемы полярных и субполярных регионов.

Чтобы разумно противостоять надвигающимся опасностям, необходимо разобраться в природе современных изменений климата. Задача эта колоссальной сложности, поскольку многозвенная климатическая система "литосфера-криосфера-гидросфера-атмосфера-биосфера" опутана сложной сетью прямых и обратных, положительных и отрицательных связей, динамично меняющихся под воздействием как внутренних (земных), так и внешних (космофи-

Явное расхождение тенденций приземной глобальной температуры и концентрации CO₂ в атмосфере: стабилизация температуры на фоне продолжающегося ускоренного роста содержания CO0₂.

Совпадение периодов ускоренного роста глобальной температуры и серийной активности мощных тропических вулканов. Аэрозольная оптическая толща стратосферы реконструирована по результатам анализа ледяных кернов Гренландии и Антарктиды.

зических и гелиофизических) факторов. Учесть все нереально, поэтому первостепенная задача - выделить из них определяющие.

В 1988 г. была сформирована Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), объединившая специалистов из 130 стран мира. Главной причиной наблюдаемых тревожных процессов, по их мнению, является аномальный рост содержания в атмосфере парниковых газов, в первую очередь антропогенного углекислого (CO₂). В четвертом оценочном докладе МГЭИК, представленном в 2007 г., утверждается, что с 90%-ной вероятностью изменения климата связаны с деятельностью человека.

Один из основных аргументов в пользу такого утверждения базируется на сопоставлении данных моделирования роста глобальной температуры с данными реальных наблюдений. В одних моделях фиксировался доиндустриальный уровень выбросов парниковых газов и аэрозолей, т.е. учитывались только естественные причины климатических сдвигов, в других - дополнительно накладывался антропогенный фактор в виде увеличения индустриальных выбросов. При сравнении полученных результатов оказалось, что первые модели значительно занижают температуры, тогда как вторые дали хорошее совпадение с реальными метеонаблюдениями. Но очевидно, что в предлагаемую схему сравнительного анализа изначально закладывается совершенно определенная причинно-следственная связь: рост содержания парниковых газов вызывает подъем глобальной температуры. Хотя в равной степени возможна и обратная ситуация, при которой первый из указанных факторов может быть следствием второго, в частности за счет уменьшения стока CO, в Мировой океан.

Длительное время, почти всю последнюю четверть XX в., наблюдался согласованный ускоряющийся рост как глобальных температур, так и атмосферного содержания CO₂, что, вроде бы, подтверждало значимость "парникового эффекта". Однако в первом десятилетии XXI в. в изменениях этих параметров проявляется явное рассогласование: несмотря на ускоренный рост CO₂ в атмосфере отмечается стабилизация температуры. Уместно напомнить, что похолодание климата в 1940 - 1950-х годах происходило на фоне увеличения содержания углекислого газа в атмосфере, хотя и уступающего современному по темпам. Если же попытаться заглянуть в совсем отдаленные эпохи, то около 450 млн. лет назад, в ордовике*, происходило оледенение обширных регионов суперконтинента Гондвана, в то время как концентрация CO₂ в атмосфере почти на порядок величины превосходила современную. Ясно, что объяснить изменения климата лишь динамикой содержания углекислого газа, т.е. только парниковым эффектом, невозможно. Однако при явном преувеличении его роли в оценочных докладах МГЭИК внимание к другим важным факторам ослаблено.

В частности, в прогностических климатических моделях недостаточно полно и корректно учитывается влияние мощных вулканических извержений в тропическом поясе широт. Как правило, оно рассматривается однобоко, только с позиции изменения радиационного фактора из-за уменьшения притока солнечной радиации к поверхности Земли при ее экранировке в стратосфере вулканогенным аэрозолем. Однако при этом фактически не учитываются изменения динамического фактора, возникающие из-за длительных возмущений общей циркуляции атмосферы - планетарной системы воздушных течений над земной поверхностью. При относительно высокой частоте повторений мощных извержений (не реже одного за пять лет) происходит наложение возмущений атмосферной циркуляции и нелинейное усиление динамического фактора, т.е. проявляется синергетический эффект. Поэтому неудивительно, что периоды ускорений потеплений на нашей планете за последние сто лет совпадают с периодами серийной активности мощных вулканов тропического пояса.

Для того чтобы количественно описать силу того или иного события и его воздействия на земную атмосферу, вулканологи Крис Ньюхолл (США) и Стивен Селф (Великобритания) предложили в 1982 г. шкалу вулканических извержений - Volcanic Explosivity Index (VEI). Их классификация учитывает объем выброшенных продуктов и высоту эруптивной (от англ. eruptive - вулканический) колонны, т.е. газопеплового столба, на вершине которого формируется эруптивная туча. Диапазон изменения VEI: от 0 - для извержений без взрыва, с объемом выбросов порядка 10^-5 км³, до 8, когда в атмосферу попадает свыше 1000 км³ пепла на высоту более 25 км.

Говоря о мощных вулканах, в данной статье мы ограничиваемся событиями с VEI от 4 до 6. В современ-

* Ордовик соответствует второму периоду палеозойской эры геологической истории Земли; начался 485±1,9 млн. лет назад, закончился 443±1,5 млн. лет назад (прим. ред.).

Разности дневных и ночных температур в стратосфере над Гавайями на уровне 30 мбар (около 23 км) в возмущенный (1992 г.) и фоновый (1999 г.) период.

Длительная вулканогенная депрессия стратосферного озона в Арктике в период серийной активности мощных тропических вулканов (сглаженная кривая общего содержания озона сдвинута на 2 года вперед относительно хронологий извержений).

ныи период к этой категории относятся извержения таких тропических вулканов, как Фуэго (Гватемала, VEI 4) в 1974 г., Агунг (Индонезия, VEI 5) в 1963 г., Эль-Чичон (Мексика, VEI 5) в 1982 г., Пинатубо (Филиппины, VEI 6) в 1991 г. При выбросах с меньшим VEI их продукты, как правило, не попадают в стратосферу, поэтому их влияние носит региональный характер. А при событиях с VEI > 7 в стратосферу поступает гигантское количество продуктов, способных длительное время существенно экранировать солнечную радиацию, вызывая значительные похолодания, описываемые моделью "ядерной зимы". Например, после извержения индонезийского вулкана Тамбора (VEI 7) в 1815 г. в Европе регистрировали "год без лета", сопровождавшийся неурожаем и голодом. А извержение другого индонезийского вулкана Тоба (VEI 8), произошедшее около 74 тыс. лет назад, привело к столь сильному похолоданию (по оценкам, температура на планете понизилась на 10°С), что вызвало резкое сокращение численности некоторых животных, а популяция человека по разным оценкам уменьшилась от нескольких миллионов до 3 - 10 тысяч. К счастью, подобные катастрофы крайне редки. В высоких широтах вулканы Камчатки, Аляски, Исландии часто выбрасывают продукты извержений на стратосферные высоты. Этому способствует значительно более низкое, чем в тропиках, положение тропопаузы - границы раздела тропосферы и стратосферы. Однако попавший в стратосферу высоких широт вулканогенный аэрозоль довольно быстро стягивается в полярные зоны и не способен оказывать значимого влияния на климат планеты. При извержениях тропических вулканов эруптивные тучи в стратосфере "размазываются" ветрами в том же

Результат численного моделирования вулканогенного разогрева тропической стратосферы для температур у поверхности Земли: формирование очага потепления на Чукотском полуострове за счет нагнетания прогретых масс воздуха из низких широт.

широтном поясе, образуя долгоживущий резервуар аэрозолей, откуда за счет меридиональной циркуляции, окутывая пеленой всю планету, они постепенно поступают в полярные зоны. Там вулканогенный аэрозоль, постепенно укрупняясь, выпадает на поверхность Земли и в условиях низких температур замораживается во льдах. В итоге по кернам Гренландии и Антарктиды можно проводить реконструкции степени вулканогенных возмущений глобальной стратосферы на глубину в несколько тысяч лет назад, например, по параметру аэрозольной оптической толщи.

В результате того, что вулканогенные аэрозоли усиливают отражательную способность стратосферы, часть солнечной радиации экранируется и происходит временное понижение глобальных температур. Например, в течение года после извержения вулкана Пинатубо планета охладилась почти на 0,5°С, затем температура вернулась к прежним значениям. Кроме временного охлаждающего эффекта из-за вулканогенных аэрозольных возмущений, в глобальной стратосфере возникает ряд значимых явлений, подтвержденных инструментальными наблюдениями. Они способны вызывать длительные аномалии общей циркуляции атмосферы. Речь в первую очередь идет о разогреве тропической стратосферы на высотах от 18 до 24 км и вулканогенной депрессии стратосферного озона, т.е. уменьшении его содержания, особенно в полярной стратосфере, приводящей к ее аномальному охлаждению.

Разогрев тропической стратосферы обычно связывают с поглощением вулканогенным сернокислотным аэрозолем длинноволновой тепловой радиации, излучаемой поверхностью Земли. Но проведенный нами анализ стратосферных температур над Гавайскими островами показал, что в период вулканогенных возмущений тропической стратосферы регистрируется систематическое превышение дневных температур над ночными. В фоновые, невозмущенные периоды таких явлений не наблюдается. Так, в июле 1992 г., через год после извержения вулкана Пинатубо, в стратосфере над Гавайями на уровне 30 мбар (около 23 км) дневные температуры в среднем превышали ночные почти на 3°С. Поскольку суточные изменения восходящей тепловой радиации над океаном мизерны, а в коротковолновой части спектра солнечного излучения сернокислотный аэрозоль практически не поглощает солнечную радиацию, то наблюдаемые нами вариации температур должны быть связаны с наличием в составе вулканогенного аэрозоля неких "темных" частиц, эффективно поглощающих радиацию Солнца.

С нашей точки зрения, эту роль может играть сажа, с высокой долей вероятности образующаяся в центральной раскаленной части эруптивной колонны при термическом разложении метана, обычно входящего в состав вулканических газов. При развале колонны на стратосферных высотах с превращением ее в резко расширяющуюся эруптивную тучу создаются условия, необходимые для формирования наноразмерных углеродных частиц (высокая турбулентность и адиабатически низкие температуры), как это происходит в технологических реакторах по производству наноразмерных частиц технического углерода. Кроме того, эруптивная колонна, по сути, представляет собой природный каталитический химический реактор, где с большой вероятностью протекают процессы Фишера-Тропша*, т.е. в присутствии катализатора протекает химическая реакция, в результате которой смесь моноксида углерода (CO) и водорода (H₂), называемая синтез-газ, преобразуется в углеводороды, в первую очередь в метан. Обе реагирующие компоненты (CO и H₂), как и Fe в качестве катализатора, всегда присутствуют в вулканических выбросах. Синтезированные в периферийных частях эруптивной колонны при температурах 300 - 350°С углеводороды втягиваются в ее центральную раскаленную часть,

* Процесс Фишера-Тропша - химическая реакция, названная в честь немецких исследователей Франца Фишера и Ганса Тропша, предложивших ее в 1920-е гг. (прим. ред.).

Регистрация из космоса потерь ледового покрова Северного Ледовитого океана в зоне действия очага тепла со стороны полуострова Чукотка (http://wordlesstech.com).

где, согласно закону Бернулли*, статическое давление минимально. Здесь они подвергаются термическому разложению в условиях недостатка кислорода с образованием сажи. По своей природе она гидрофобна, но при окислении ее поверхности быстро становится гидрофильной. Поэтому в относительно "влажной" нижней атмосфере (тропосфере) она как губка впитывает воду, набухает, увеличивается в размерах и массе и быстро оседает на поверхность Земли.

В "сухой" разреженной стратосфере наноразмерная сажа может существовать годами, что позволяет объяснить длительные температурные и озоновые аномалии, возникающие после мощных извержений тропических вулканов. Как "абсолютно черное тело", она активно поглощает и коротковолновую солнечную радиацию, и тепловую радиацию Земли, обеспечивая эффективный прогрев тропической стратосферы. За период повышенной активности тропических вулканов - с 1963 по 1993 г. - произошло не менее 20 значимых вулканогенных аэрозольных возмущений стратосферы. Неудивительно, что ее температура оказалась в среднем на 2 - 3°С выше, чем в последние два десятилетия, в течение которых отмечено не более 3 таких возмущений, к тому же весьма незначительных.

Существенное повышение содержания сернокислотного аэрозоля в стратосфере в результате мощных извержений тропических вулканов не объясняет появления длительных депрессий стратосферного озона. Вероятность его исчезновения при взаимодействии с поверхностью сернокислотного аэрозоля крайне мала, она значительно ниже уровня, определяющего значимые деструктивные воздействия на стратосферный озоновый слой. Другое дело сажа. Вероятность разрушения озона на ее поверхности почти на два порядка величины превышает уровень значимых воздействий на озоносферу. Таким образом, выбросы в тропическую стратосферу наноразмерного сажевого аэрозоля должны приводить к длительной депрессии стратосферного озона, что объясняет многолетний отрицательный тренд ОСО (общего содержания озона) в период повышенной активности тропических вулканов и его восстановление в современный период, характеризующийся значительным ослаблением их активности.

Поскольку наличие озона в стратосфере в значительной степени определяет ее температурный режим благодаря поглощению им ультрафиолетовой солнечной радиации, постольку его уменьшение, наиболее заметное в полярной стратосфере, приводит к ее охлаждению. Таким образом, выбросы наноразмерной сажи тропическими вулканами обусловливают и нагревание тропической, и охлаждение полярной стратосферы. Появление новых температурных контрастов вызывает значительные и длительные возмущения общей циркуляции атмосферы.

Нами было проведено численное моделирование дополнительного разогрева в тропической стратосфере на высоте 21 км на 2°С с помощью спектральной модели атмосферной циркуляции промежуточной сложности. Установлено, что в этом случае в течение 10 лет после выключения разогрева у поверхности Земли образуются области, характеризующиеся повышением давления в низких широтах и его понижением в высоких. Так формируются условия для переноса прогретых масс воздуха из низкоширотных в высокоширотные регионы. Как следствие, у поверхности Земли появляются устойчивые контрастные

* Закон Бернулли определяет зависимость между скоростью жидкости (или газа) и ее давлением. Назван в честь швейцарского физика и математика XVIII в. Даниила Бернулли (прим. ред.).

Кумулятивное сложение 10-летних периодов вулканогенного нагрева арктических широт, определившее ускоренный рост глобальных температур с середины 1970-х годов до конца XX в.

Понижение зимних температур в Северном полушарии в конце XXI в. (по разности между модельным и контрольным экспериментами).

температурные зоны, в частности, очаг потепления в районе полуострова Чукотка. По наблюдениям из космоса именно здесь зарегистрированы основные потери ледового покрова Северного Ледовитого океана. Совпадение результатов моделирования и спутниковых данных подтверждает значимую роль вулканогенных аэрозольных аномалий тропической стратосферы в возникновении возмущений общей циркуляции атмосферы.

Если релаксация стратосферных возмущений происходит в течение 1,5 - 2 лет, то вызванные ими аномалии циркуляции воздуха у поверхности Земли "затухают", согласно нашим моделям, около 10 лет. При этом в первые два года после отключения дополнительного разогрева тропической стратосферы в высоких широтах наблюдается незначительное похолодание. Затем, в течение последующих 8 лет, происходит разогрев высоких широт за счет нагнетания тепла из субтропических регионов. При повышенной активности тропических вулканов (1963 - 1994 гг.) вызванные ими возмущения стратосферы происходили в среднем каждые 1,5 года. Кумулятивное сложение периодов нагнетания тепла из низких в высокие широты после каждого извержения повышало скорость роста глобальных температур. Аналогичный эффект, определивший потепление 1930-х годов, наблюдался на рубеже XIX-XX вв. С 1883 по 1932 г. произошло 18 мощных извержений (в среднем каждые 2,8 года), в том числе таких, как Кракатау (Индонезия, VEI 6) в 1883 г., Санта-Мария (Гватемала, VEI 6) в 1902 г. и Колима (Мексика, VEI 5) в 1913 г. В периоды редких и незначительных извержений, напротив, регистрируется либо похолодание, подобное наблюдавшемуся в 1940 - 1950-х годах, либо стабилизация температур, проявляющаяся в последнее десятилетие.

Наблюдаемая в современный период стабилизация температур при сохраняющемся ускоренном росте содержания в атмосфере CO₂ дает основание предполагать появление нового фактора похолодания климата, компенсирующего "парниковый эффект". Наиболее вероятно, что таковым является изменение термохалинной (от греч. termi - теплота; halinity - со-

Концентрация морского льда зимой в конце XXI в. (по разности между модельным и контрольным экспериментами).

леность) циркуляции. Базируясь на двух физических эффектах: теплая вода легче холодной и пресная легче соленой, она определяет меридиональный океанический перенос тепла из прогретых низких в холодные высокие широты. Значительные темпы потепления во второй половине XX в., спровоцированные тропическими вулканами, привели к активному таянию арктических льдов и существенному опреснению поверхности северных морей. Более легкая пресная вода может затормозить термохалинную циркуляцию вплоть до ее полной остановки, в частности, приостановить Северо-Атлантическое течение, являющееся продолжением Гольфстрима и обеспечивающее теплом Западную Европу весь зимний период.

Мы провели численное моделирование отключения меридионального океанического переноса тепла в Северной Атлантике. Исследование проводили на основе совмещения двух моделей Метеорологического института им. Макса Планка (Германия): ECHAM5 и термодинамической модели верхнего слоя океана. Полученные результаты показывают похолодание климата Северного полушария к концу XXI в., особенно в северо-западной части Евразии. В зимний период (декабрь-февраль) во всех арктических регионах температура в среднем опустится на 7 - 10°С, при этом в районе Гренландского, Норвежского и Баренцева морей она упадет на 16°С по сравнению с контролем. Прогнозные оценки концентрации морского льда показывают, что в зимний период все моря севернее 55° с.ш. окажутся скованными льдами. Причем из-за тепловой инерционности они не успеют растаять в летний сезон и сохранятся практически круглый год выше 60° с.ш. В результате Северный морской путь может оказаться блокированным.

Современные планы освоения Арктики базируются на прогнозах глобального потепления. Все модели МГЭИК по антропогенному воздействию на климат к концу XXI в. предсказывают потепление в среднем на 3,7°С. Но наши модельные оценки говорят о возможности иного развития событий: в случае полной остановки Северо-Атлантического течения к концу текущего столетия для всего Северного полушария прогнозируется похолодание в среднем на 2,7°С.

На первый взгляд, похолодание на 2,7°С не скомпенсирует потепления на 3,7°С, а лишь ослабит его. Однако во всех моделях МГЭИК температурная чувствительность к изменениям концентрации парниковых газов явно завышена. Поэтому прекращение океанического потока тепла в Северной Атлантике может привести к похолоданию в Северном полушарии даже при учете антропогенного воздействия на климат.

Указанные выше оценки похолодания климата приведены без учета воздействия на него серийных мощных извержений тропических вулканов. На большом промежутке времени (несколько тысячелетий) вспышки их серийной активности происходили без видимой закономерности, случайным образом. Однако в последние 300 - 400 лет в спектре повторяемости таких событий довольно отчетливо проявляется цикличность с периодом около 75 лет, поэтому есть вероятность появления серии мощных извержений тропических вулканов в середине XXI в. Но на фоне обшей тенденции к похолоданию это может привести лишь к временному потеплению с возвратом в стадию похолодания уже через несколько лет по окончании периода повышенной активности тропических вулканов.

Важно понимать, что похолодание в результате изменений термохалинной циркуляции является наиболее вероятным следствием ускоренного потепления независимо от того, по какой причине оно происходило. Поэтому актуальность научных споров о приоритетности антропогенного или природного фактора климатических изменений исчезнет сама собой, а на первый план встанет проблема выживания человечества в условиях похолодания климата и ограниченности тепловых энергоресурсов.

Постоянный адрес данной публикации: