Глобальные изменения климата: антропогенная и космогенная концепции

А.А. Пабат (Национальный университет, г. Днепропетровск, Украина)

Еще с середины 60-х гг. XX столетия стали появляться сведения о будущем глобальном потеплении климата на Земле. Незамедлительно развернулись ожесточенные дискуссии противников и сторонников такого прогноза, результатом которых явилось создание нескольких версий причин и последствий климатических изменений.

Версия первая: климат на Земле меняется, и главная тенденция таких изменений — повышение средней глобальной температуры. Глобальное потепление вызвано последствиями хозяйственной деятельности человека. Повышение среднегодовой температуры на планете связывается с накоплением тепличных газов в атмосфере. Сторонники этой версии считают, что потепление стало обнаруживаться с ростом масштабов производства, потребляющего углеводородное топливо, и спровоцировало тем самым парниковый эффект.

Версия вторая: глобальное потепление не связано с последствиями хозяйственной деятельности человека. Многие ученые подвергают сомнению возможность человека воздействовать на климат в планетарном масштабе. Они считают, что антропогенное изменение климата может иметь место лишь в условиях крупного города, при большой концентрации автотранспорта и промышленных предприятий Существует мнение, что глобальное потепление связано с причинами космогенного характера. Заметим, что в истории Земли были периоды подобного глобального потепления. По данным анализа ископаемых остатков, в мезозойскую эру на Земле было на 10-15°С теплее, чем сейчас.

Версия третья: при глобальном потеплении имеет место наложение и техногенных, и космогенных причин. Сторонники этой версии утверждают, что потепление носит кратковременный характер и впереди возможно даже похолодание. Существуют прогнозы стабилизации климата к 2010-2015 гг. К этому времени глобальная температура повысится всего на 1.5-2°С, и на этом потепление закончится.

Сторонники всех версий не отрицают факта пусть и кратковременного, но потепления климата на планете. Весьма глубоко и всесторонне была разработана концепция изменения климата вследствие увеличения концентрации атмосферного углекислого газа антропогенного происхождения. Он, вернее его избыток по сравнению с обычным количеством, постоянно присутствующим в атмосфере и участвующим в естественном круговороте, поступает в атмосферу Земли при сжигании органического топлива.

С учетом вышеизложенного предпримем попытку объективного анализа принципиальной возможности влияния увеличения концентрации антропогенного углекислого газа на изменение климата исходя из общепринятой концепции глобального парникового эффекта. Считается, что образующиеся в процессе промышленной деятельности, и прежде всего производства энергии, углекислый и другие газы, накапливаясь в атмосфере, препятствуют выбросу поверхностью Земли инфракрасного излучения в космическое пространство, температура земной поверхности увеличивается, следствием чего являются таяние льдов, повышение уровня Мирового океана, смещение климатических зон и иные глобальные последствия.

Радиационный баланс Земли

Ежесекундно Солнце излучает в мировое пространство 3.83 • 1026 Дж энергии. Каждая планета получает определенную долю этой энергии. Для Земли эта доля составляет 2.1 • 1018 Дж. Поскольку средняя температура поверхности Солнца — около 5800 К, спектральное распределение энергии солнечной радиации неравномерно: 5% приходится на ультрафиолетовую область спектра, 52% — на видимую и 43% — на ближнюю инфракрасную область. Земная атмосфера отражает 36% всей падающей энергии и поглощает 17%. Вследствие селективности этих процессов спектральный состав изменяется, и только 47% солнечной радиации достигает поверхности Земли (рис. 1, график 1). Из общего уровня солнечной радиации на границе атмосферы 18% рассеивается, 12% коротковолновой области спектра отражается и 70% поглощается земной поверхностью. Значительная доля — 38.8% утилизируется, вследствие чего средняя температура поверхности планеты в настоящее время составляет 287.8 К. 7.7% расходуется на испарение воды и турбулизацию атмосферы, а 23.5% излучается в космическое пространство на длине волны 10.07 мкм со спектральным распределением абсолютно черного тела (рис. 1, график 4). В дневное время излучение земной поверхности состоит из отраженного и рассеянного коротковолнового света со спектральным максимумом, соответствующим длине волны К = 0.5 мкм, и собственного теплового инфракрасного излучения. После захода Солнца и ночью отраженное коротковолновое излучение экспериментально не наблюдается. Собственное тепловое инфракрасное излучение нашей планеты, 70.8% поверхности которой занимают океаны,экспериментально регистрируется после захода Солнца и достаточно точно совпадает по спектральному распределению с излучением абсолютно черного тела при температуре 287.8 К (рис. 1, график 3).

Следовательно, излучаемая земной поверхностью в дневные часы коротковолновая радиация и длинноволновая инфракрасная радиация как раз и являются тем излучением, которое должно поглощаться и отражаться атмосферой для создания парникового эффекта. Однако согласно представленной на рис. 1 (график 2) и рис. 2 (график 2) экспериментальной спектральной характеристике пропускания земной атмосферы, именно в области 0.5 мкм и 8-14 мкм имеются окна прозрачности, практически полностью исключающие поглощение и рассеяние излучения указанных длин волн. Прозрачность атмосферы в этих спектральных диапазонах столь высока, что экспериментально измеренный коэффициент пропускания атмосферы, и прежде всего углекислого газа, до границы стратосферы для излучения с длиной волны  = 0.5 мкм составляет 0.986, а для излучения с длиной волны 10.07 мкм — 0.978. Поскольку излучение указанных длин волн практически не рассеивается атмосферой, образование парникового эффекта вследствие увеличения концентрации углекислого газа маловероятно. Более того, это излучение не обнаруживается экспериментально. На рис. 2 (график 4) представлена экспериментальная спектральная характеристика энергетической яркости ясного ночного неба, максимумы которой соответствуют центрам полос поглощения водяного пара ( = 6.3 мкм), озона ( = 9.6 мкм) и углекислого газа ( = 15 мкм), а стрелками указаны характеристические полосы атмосферного поглощения для воды, озона и углекислого газа. Кроме того, экспериментальные исследования распространения в атмосфере лазерного излучения с длиной волны  = 10.6 мкм чрезвычайной мощности 1010

Экспериментальные спектральные характеристики

Вт/м2 не обнаружили рассеивания луча лазера до высоты 30 км.

Между тем туман и облака, стабильно укрывающие более половины поверхности планеты, достаточно интенсивно рассеивают инфракрасное излучение и практически непрозрачны для земной радиации. Но если предполагаемое изменение концентрации углекислого газа в атмосфере, гипотетически провоцирующее образование парникового эффекта, может находиться в пределах от 0.032% до 0.035%, то концентрация водяного пара изменяется от 2 • 10-5% до 4% или в 200000 раз. При этом коэффициент пропускания атмосферы для коротковолнового излучения с эффективной длиной волны  = 0.5 мкм изменяется от 0.986 до 0.695, а для инфракрасного излучения земной поверхности с эффективной длиной волны  = 10.07 мкм — от 0.978 до 0.538. Как показывают экспериментальные исследования, небо, затянутое сплошными низкими облаками, действительно излучает как абсолютно черное тело с температурой, равной окружающей с точностью до нескольких градусов. Спектральная характеристика энергетической яркости темных кучевых облаков имеет максимумы в районах сильных полос поглощения 6.3 и 15 мкм (рис. 2, график 3), а в спектральном окне 8- 14 мкм регистрируется излучение абсолютно черного тела при температуре 275 К, что действительно подтверждает установленное климатическими наблюдениями влияние значительной концентрации паров воды на противоизлучение атмосферы, создающее парниковый эффект. Так, экваториальный климат со значительной облачностью и большим среднегодовым количеством осадков (3000- 6000 мм в год) характеризуется исключительно стабильным температурным режимом (25 ± 3°С в течение года), а в соседнем тропическом климате при среднегодовом количестве осадков 100-300 мм в год даже суточная амплитуда температуры воздуха превышает 40°С — инфракрасная радиация земной поверхности свободно излучается в космическое пространство сквозь спектральное окно прозрачности ясного неба, однако весьма эффективно удерживается атмосферными парами воды.

Итак, усиление парникового эффекта вследствие антропогенного увеличения концентрации углекислого газа не подтверждается теоретическим радиационным и тепловым балансом Земли. Более того, этот эффект не подтверждается экспериментальными исследованиями,что позволяет ставить вопрос о несостоятельности антропогенной концепции глобальных климатических изменений. По антропогенным выбросам CO2 в атмосферу нельзя прямо,без всяких коррекций, рассчитывать рост концентрации углекислого газа в воздухе, поскольку он хорошо растворяется в воде. В морях и океанах его содержится в 50-60 раз больше, чем в атмосфере. Любое увеличение содержания CO2 в воздухе будет, естественно, вызывать сток этого газа в гидросферу — океан поглощает CO2 в холодных широтах и освобождает на экваторе, поэтому парциальное давление углекислого газа в атмосфере на экваторе несколько выше. Гидросфера является мощным аккумулятором, существенно сдерживающим рост концентрации углекислого газа в воздухе. Согласно новейшим исследованиям, наиболее достоверным в районе Гавайских островов, где нет промышленных центров, за последние более чем сто лет содержание углекислого газа в атмосфере, по разным оценкам, увеличилось с 320-325 до 342-344 ppm (миллионных долей), то есть на 5.8%. За это же время средняя температура планеты увеличилась с 14°С до 14.8°С, то есть на 5.7%, вследствие чего интегральная эмиссия углекислого газа поверхностью океанов, прежде всего в экваториальных областях,также возросла в весьма коррелируемых масштабах (Гавайские острова расположены на самой теплой параллели — тропическом экваторе со среднегодовой температурой +27°С, что может быть вероятной версией увеличения концентрации углекислого газа).

Следует признать, что очевидная несостоятельность первой версии вовсе не отменяет остальных двух. Действительно, имеет место объективно регистрируемое глобальное изменение климата, и прежде всего увеличение средней температуры поверхности планеты. За последние сто лет средняя температура Земли возросла на 0.8°С. В Альпах и на Кавказе ледники уменьшились в объеме в два раза, на горе Килиманджаро — на 73%, а уровень Мирового океана повысился на 10 см. С середины XIX века инструментальными метеорологическими наблюдениями в арктических зонах Европы, Азии и Северной Америки обнаружено хорошо выраженное климатическое потепление, составляющее 2.4°С. Согласно обобщенным региональным оценкам, повышение температуры воздуха за длительный холодный период в 1.4-1.5 раза больше, чем за короткий теплый — климатическое потепление обусловлено в первую очередь повышением средней зимней температуры воздуха. Достоверно инструментально обнаружено увеличение на 1.2°С температуры вечной мерзлоты на глубине 3 м. Согласно ретроспективному прогнозу, возможное повышение температуры воздуха к 2020 г. составит 2°С, а к 2050 г. — 4.5°С. Еще один глобальный эффект — нарушение стабильности озонового слоя Земли (озоновые дыры) с уменьшенной до 50% концентрацией озона над Антарктидой, Арктикой, Восточной Сибирью и Казахстаном. Сегодня концентрация озона в атмосфере, по результатам наблюдений, в частности NASA, уменьшилась на 13% по сравнению с 1970 г. Эти изменения зафиксированы и другими методами мониторинга озонового слоя, причем по мере его истощения рос уровень ультрафиолетового излучения, представляющего смертельную опасность для всех биологических видов, живущих на Земле. Участились мощные землетрясения. За первую половину XX века было зарегистрировано 15 землетрясений мощностью свыше 7 баллов (погибли 740 тысяч человек), а во второй половине — 23 (погибли более одного миллиона). Среднее число жертв циклонов, тайфунов, землетрясений и наводнений на Земле за последние 50 лет превысило 46000 человек в год. Материальный ущерб от климатических катастроф вырос более чем в три раза и превысил 90 млрд. долл. в год, приближаясь к потенциалу теоретических инвестиционных ресурсов планеты (130-200 млрд. долл. в год).

Столь глобальные катаклизмы, очевидно, имеют космогенный характер, поскольку суммарный энергетический потенциал человеческой цивилизации, составивший к началу XXI века 4.43 • 1020 Дж/год, в 6000 раз меньше основной климатообразующей энергетической доминанты планеты — солнечной радиации и не может оказывать существенного влияния на радиационный энергетический баланс, однако вполне достаточен для провоцирования локальных экологических катастроф. Для сравнения: суммарная мощность теплового потока радиогенного излучения, идущего из недр Земли, составляет около 2.5 • 1013 Вт, что в 5000 раз меньше количества теплоты, получаемого Землей от Солнца, и, по общепризнанным достоверным результатам исследований, не оказывает влияния на климат. Инструментально регистрируемые изменения климата являются закономерным следствием космогенных процессов.

Изменения средних глобальных и континентальных температур в период плейстоцена.

Согласно геохронологическим исследованиям, в изменениях климата наблюдается внутривековая ритмика с продолжительностью цикла 25-50 лет, сверхвековая смена прохладно-влажного климата сухим и теплым с продолжительностью цикла 1800-1900 лет, галактическая с периодом около 200 млн. лет как следствие вращения Солнца вокруг центра галактики и орбитальная эклиптическая ритмика со сложной хронологической закономерностью, определяющая общий уровень солнечной радиации. За время существования Земли имели место значительные изменения климата, сопровождающиеся глобальными оледенениями — гляциалами, наиболее хорошо изученные в период плейстоцена, который начался в конце палеогеновой эпохи и окончился голоценовой эпохой около 15 тысяч лет назад. В периоды гляциалов средние глобальные температуры опускались до +5...+10°С (рис. 3, график 1), средняя континентальная температура северного полушария изменялась значительно больше (рис. 3, график 2), а ледники распространялись до широты 40-50°. На образование материковых ледников расходовались огромные массы воды, заимствованные из океанов и после стаивания льдов вновь в них возвращавшиеся, что вызывало колебания уровня Мирового океана на 85-120 м. В периоды интергляциалов средняя температура планеты повышалась до +16 ...+18°С, а флора и фауна приполярных областей соответствовала современному субтропическому климату. Причиной таких климатических изменений является прецессия оси вращения Земли и периодические изменения эксцентриситета земной орбиты вокруг Солнца, сопровождающиеся изменением уровня глобальной климатической энергетической доминанты — солнечной радиации с периодичностью 41-105 тысяч лет. Величина эксцентриситета земной орбиты — от 0.001 до 0.0668 с периодом около 105 тысяч лет. В настоящее время эксцентриситет земной орбиты составляет 0.0167 и продолжает уменьшаться, поэтому в январе Земля приближается к Солнцу на 147 млн. км, а в июле удаляется от него на 152 млн. км, что приводит к изменению уровня солнечной радиации в течение года на 7%. При уменьшении эксцентриситета земной орбиты в ближайшие 25 тысяч лет уровень солнечной радиации в июле будет возрастать, и средняя температура планеты будет достаточно высокой. В дальнейшем эксцентриситет орбиты начнет увеличиваться и через 83 тысячи лет достигнет 0.0668. При этом уровень солнечной радиации уменьшится на 26%, что приведет к существенному похолоданию климата. Кроме того, вследствие прецессии угол наклона земной оси изменяется от 22° до 24.5° с периодом в 41 тысячу лет, что совместно с изменением эксцентриситета орбиты приводит к значительным колебаниям уровня солнечной радиации в материковой части северного полушария, провоцирующим образование ледниковых покровов, усугубляющих климатическую ситуацию-солнечная радиация отражается в коротковолновом диапазоне и не поглощается поверхностью Земли (рис. 1). Приведенные космогенные причины климатических изменений с точностью до неопределенностей геологических датировок подтверждаются геохронологическими исследованиями и позволяют достаточно убедительно прогнозировать будущие изменения климата планеты (рис. 3).

Итак, инструментально подтвержденное глобальное потепление климата является закономерным следствием объективных космогенных процессов с минимальным антропогенным влиянием. Как следует из рис. 3, в течение ближайших 50-100 лет будет наблюдаться стабильное состояние средней глобальной температуры на уровне 14.8-15.4°С и постепенное ее понижение до минимального значения через 27 тысяч лет, не приводящее к образованию и распространению гляциалов. Это состояние стабилизирует глобальную климатическую ситуацию, однако в ближайшем будущем возможны некоторые сдвиги климатических зон, изменение флоры и фауны отдельных регионов и усложнение сельскохозяйственного производства. Тем не менее несомненно актуальными и своевременными представляются активно разрабатываемые мировым сообществом технологические, экономические и экологические превентивные меры, направленные на всестороннее снижение уровня антропогенного влияния на атмосферу, гидросферу и биосферу планеты стремительно возрастающего энергетического и технологического потенциала цивилизации. При сохранении экспоненциального развития мировой энергетики к концу XXI века суммарный энергетический потенциал составит 2.7 • 1023 Дж/год -5% общей солнечной радиации, что с учетом космогенеза способно повысить температуру планеты на опасную величину +3°С. Будем надеяться, что достоверный прогноз изменений климата и консолидированный интеллектуальный и технологический потенциал цивилизации позволят в значительной степени нивелировать последствия этих процессов.