Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? - Игорь Кароль

В тропосфере N2O образуется и разрушается в реакциях с одним и тем же реагентом – возбужденным атомарным кислородом O(1D). В стратосфере же он разрушается под действием света; интенсивность этого процесса оценивается примерно в 12 Мт/год (с разбросом 9–17 Мт/год). Концентрация оксида азота(I) в атмосфере неуклонно возрастает с начала индустриального периода: если в середине ХХ в. она составляла 265 ppb, то к концу первого десятилетия XXI в. ее величина достигла 324 ppb.

В настоящее время, из-за отсутствия ограничений на использование N2O, оксид азота(I) стал основным озоноразрушающим газом, сменив в этой малопочетной роли ограниченные Монреальским протоколом ХФУ.

Многочисленные ХФУ использовались и используются в качестве хладагентов в холодильных установках (ХФУ-11, -12, -115, -22, -123, -125, -134а), распылителей в аэрозольных упаковках (ХФУ-11, -12, -22, -124, -134а), пенообразователей (ХФУ-11, -12, -114, -22, -123, -124, -141b, – 142b, – 152a), растворителей (ХФУ-113, -123, -141b, – 142b). Особая роль у бромсодержащих химикатов (галоны-1211 и -1301) – они были до последнего времени незаменимы при тушении пожаров.

Чтобы получить представление о «парниковой активности» вышеперечисленных газов, приведем фрагменты таблицы значений потенциала глобального потепления (о нем упоминалось ранее).

Таблица 2. Потенциалы глобального потепления (ПГП) некоторых газов, присутствующих в воздухе (Источник: Отчет 2007 г. Межправительственной группы экспертов по изменению климата)

Каждому газу соответствуют три значения потенциала глобального потепления для разных периодов времени. Это связано с тем, что газы имеют неодинаковое «время жизни», например для CO2 и N2O оно составляет ~100 и 114 лет, для метана – в среднем около 11 лет, а для фреона-22 – 12 лет. Понятно, что за 20 лет молекулы метана, а также фреона-22 полностью выработают свой «ресурс», в то время как молекулы CO2 и N2O продолжат «развивать успех» и в последующие 80–90 лет. Таким образом, количества поглощенной, к примеру молекулой CO2, длинноволновой радиации за 20 и 100 лет будут заметно различаться. Поэтому, чтобы оценить вклады разных молекул в кратко-, средне– и долгосрочной перспективе, принято рассматривать значения потенциала глобального потепления, соответствующие периодам в 20, 100 и 500 лет.

Как видно из таблицы 2, потенциалы глобального потепления рукотворных ХФУ в сотни, тысячи, а иногда и десятки тысяч раз превосходят потенциал «эталонного» CO2. Тем не менее суммарный их вклад в усиление парникового эффекта значительно уступает вкладу углекислого газа. Объяснение этому то же, что и в случае с метаном: менее «вредных» молекул CO2 в атмосфере в миллионы и миллиарды раз больше, чем молекул ХФУ. Если вспомнить о том, что ежегодный прирост производства, а значит в конечном итоге и выбросов отдельных ХФУ, достигал 10–15 %, и концентрация ХФУ в атмосфере удваивалась каждые 6–8 лет, то настигнуть лидера во вполне обозримом будущем им помешали только ограничения Монреальского протокола.

И еще несколько слов о двух атмосферных долгожителях.

Первый из них гексафторид серы SF6 («электрический газ»), широко используемый в качестве изолятора и теплоносителя в высоковольтной электронике, в электронной и металлургической промышленности, а также в качестве хладагента. Второй – тетрафторметан CF4 (фреон -14) тоже применяется в микроэлектронике и иногда как низкотемпературный хладагент. Из-за химической пассивности оба имеют очень большое «время жизни», и при наличии высоких значений ПГП (см. табл. 2) в течение всего «времени жизни» (т. е. 3200 и 50 000 лет для SF6 и CF4, соответственно) будут способствовать глобальному потеплению.

Джонатан Свифт однажды заметил: «Причина великих событий, как и источники великих рек, часто бывет очень мала». Казалось бы, небольшое (в сравнении с мощью природных стихий) усиление парникового эффекта, вызванное хозяйственной деятельностью человека, тем не менее ощутимо сказывается на климате нашей планеты.

Однако пора обсудить как «распоряжается» климатическая система поступающей от Солнца радиацией.

Что имеем, не храним: альбедо

Отражается небо в лесу, как в воде…

Солнце нам не в чем упрекнуть: оно регулярно, без перекуров и реплик типа «подождете, вас много, а я одно!», доставляет к верхней границе атмосферы в течение суток в среднем 343 Вт/м2 энергии. Далее атмосфера и облака (в лучших традициях посредников) «отщипывают» свою долю за транзит. Но бережно ли сохраняется то, что все-таки дошло до «адресата» – поверхности Земли? Конечно, нет. Часть энергии, совершившей неблизкое путешествие от Солнца до Земли (149,6 миллионов километров), сразу же получает от ворот поворот в соответствии с законами физики: чем светлее поверхность, тем лучше она отражает падающий на нее свет. Для того чтобы численно охарактеризовать это явление используют соотношение отраженной и пришедшей солнечной радиации, называемое альбедо (от латинского albedo – «белизна»). Очевидно, что оно всегда меньше 100 %.

Альбедо характеризует отражательную способность поверхности любых объектов, с которыми взаимодействует излучение: суши и океана, облаков из капель и ледяных кристаллов, аэрозолей, часто состоящих из твердого ядра во влажной оболочке и пр. Для разных видов излучения альбедо неодинаково: одна и та же поверхность может, например, отражать коротковолновое излучение, но поглощать и излучать длинноволновое.

Зависит альбедо от разновидности грунта, типа и плотности растительности, вида покрытия улиц и мостовых в городах и пр.

Таблица с перечислением величин альбедо для различных типов поверхности занимает в специальных справочниках несколько страниц убористым шрифтом. Не желая обременять читателя излишними подробностями, приведем лишь ее фрагменты, позволяющие судить о пределах изменения альбедо земной поверхности.

Альбедо водной поверхности для прямой радиации зависит от того, под каким углом на нее падают солнечные лучи. Вертикальные лучи проникают в воду глубоко, и она усваивает их тепло. Наклонные лучи отражаются от воды, как от зеркала, и ее не нагревают. Поэтому альбедо водной поверхности при высоте Солнца 90° равно 2 %, при высоте Солнца 20°–78 %.

Таблица 3. Альбедо (А) некоторых естественных поверхностей

Для того чтобы проиллюстрировать значимость альбедо снежного и ледяного покрова, упомянем о двух гипотетических ситуациях, рассмотренных выдающимся российским климатологом М. И. Будыко (1920–2001). В первой из них он предположил, что вся Земля покрыта льдом и снегом и при этом отсутствует облачность. В такой ситуации, по его расчетам, температура поверхности снизилась бы на 100 °C! При реализации второй гипотетической ситуации полного отсутствия снежно-ледяного покрова в Арктике арктическая температура должна увеличиться на 40 °C!

Интересуясь количеством энергии, полученным, к примеру, пустыней с относительно однородной поверхностью, мы можем воспользоваться таблицей. Однако если необходимо оценить, сколько энергии поглощено поверхностью, например, Краснодарского края, придется прежде разбить его площадь на сектора, в каждом из которых преобладает свой тип поверхности, а затем просуммировать приток энергии по всем секторам. Несомненно, итог таких вычислений критически зависим от смены времен года, поскольку альбедо одного и того же участка Земли заметно меняется в период листопада, с появлением и сходом снежного покрова и т. д., да и приток солнечной энергии в разные сезоны неодинаков.

Между тем глобальное альбедо, а значит, и общее количество солнечной энергии, поглощаемой поверхностью земного шара, подвержены куда меньшим изменениям.

Причиной тому несколько обстоятельств. Во-первых, семь десятых поверхности Земли покрыто водой, а площадь периодически замерзающих акваторий невелика. Во-вторых, зоны, в которых «лето круглый год», или, напротив, «вечная зима», занимают изрядную часть суши. Ярко выраженная смена времен года имеет место только в умеренных широтах обоих полушарий (при этом вклад в изменение радиационного баланса, главным образом, вносит Северное, так как площадь суши в средних широтах Южного полушария много меньше).

Как следствие, принято считать среднегодовое глобальное альбедо земной поверхности равным 29 %.

Казалось бы, такой определенности можно только порадоваться, но, увы, на каждого Мальчиша-Кибальчиша находится свой Мальчиш-Плохиш. В нашем случае эту роль исполняет облачность. Облака, встречая солнечную энергию на «подходе» к Земле, поглощают ее, отражают обратно вверх и рассеивают во всех направлениях. Оценить их альбедо очень непросто из-за обилия существующих нюансов: имеют значение плотность и химический состав облаков, их толщина и однородность, высота над уровнем Земли и влагосодержание. Добавляет трудностей и то, что облака находятся в постоянном движении как в прямом, так и в переносном (вследствие микромасштабных процессов, непрерывно меняются их структура, влагозапас и состав) смыслах. Далеко не все из перечисленного можно определить непосредственно с Земли. И снова в этой связи отметим неоценимую помощь метеоспутников, но даже они не в состоянии обеспечить сколь-нибудь полного решения этой проблемы.