Влагосодержание атмосферы и парниковый эффект

Парниковый эффект (ПЭ) относится к числу важнейших факторов современных изменений глобального климата. Суть его состоит в том, что атмосферные газы (водяной пар, углекислый газ, метан, закись азота и др.) задерживают часть длинноволнового излучения от поверхности Земли и рассеивают его в разные стороны, в результате чего происходит нагревание атмосферы. В отсутствие парниковых газов приповерхностная температура воздуха была бы на 33°С меньше, т.е. климат Земли был бы практически непригоден для существования человеческой цивилизации. Известно, что основным парниковым газом является водяной пар. Но поскольку непосредственно определить вклад каждого парникового газа в ПЭ в настоящее время чрезвычайно сложно, то для этой цели используются косвенные методы, в частности, численные модели общей циркуляции атмосферы. В численных расчетах водяной пар задается в виде интегрального влагосодержания атмосферы (ВА), представляющим собой суммарный запас водяного пара в столбе воздуха единичной толщины и выражается в кг/м2 или в толщине слоя воды (мм). Поскольку его вертикальное распределение близко к экспоненциальному закону, то концентрация водяного пара быстро убывает по высоте и выше тропосферы становится пре- небрежимо малой. Жидкий эквивалент ВА получил название «осажденная вода» (total precipitable water, TPW).

Основная суть «работы» парниковых газов состоит в том, что их молекулы способны абсорбировать проходящие сквозь атмосферу ИК фотоны, т.е. они, по сути, поглощают ИК фотоны с различными длинами волн. Именно этот факт усложняет процесс вычисления вклада в парниковый эффект каждого отдельного газа. Например, водяной пар поглощает ИК фотоны с длинами волн 790 нм, 940 нм, 1375 нм и др. При этом молекула СО2 также способна поглощать фотоны с длиной волны 1375 нм. Отсюда понятно, что трудно сказать, какая часть ИК радиации с длиной волны λ = 1375 нм поглощается водяным паром, а какая – диоксидом углерода. Поэтому в численных моделях осуществляется последовательное удаление парниковых газов с последующей оценкой их вклада в ПЭ. Если удалить водяной пар, то, например, модель [15] показывает что ПЭ сокращается на 36%. Но теперь ИК фотоны с длиной волны λ = 1375 нм будут полностью поглощаться СО2, т.е. возрастет ПЭ, приходящийся на СО2. Поэтому 36% сокращение ПЭ естественно считать минимумом, поскольку реальный вклад водяного пара оказывается больше. Если удалить из модели все парниковые компоненты, оставив

Среда обитания

вклад атмосферных компонент в парниковый эффект по различным численным моделям общей циркуляции атмосферы

Источник	вклад различных атмосферных компонент в парниковый эффект (%)
	ва	Облачность	ва + облачность	СО 2	Остальные парниковые газы
Schmidt [15]	39,0–61,9	14,5–36,3	66,9–80,9	14,0–24,3	4,9–9,2
Модель NASA [12]	36–66	16	66–85	9–26	2–8
Среднее значение	37,5–64,0 (~50)	15,3–36,3 (~25)	66,5–83,0 (~75)	11,5–25,2 (~20)	3,5–8,6 (~5)

Общество. Среда. Развитие ¹ 3’2014

только водяной пар, то получим максимальный вклад его в ПЭ. В табл. 1 приводятся оценки вкладов различных парниковых компонент в ПЭ. Нетрудно видеть, что в среднем вклад ВА составляет примерно 50%, облачности – 25%, углекислого газа только – 20%. Суммарный вклад всех остальных газов в ПЭ не превышает 5%.

Несмотря, на казалось бы, очевидные вещи, с подачи Межправительственнjq группs экспертов по изменению климата (МГЭИК) происходит игнорирование роли ВА в современных изменениях климата и считается, что ВА является только их откликом. МГЭИК была создана в 1988 г. совместно Всемирной метеорологической организацией (ВМО) и Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП). Главной задачей МГЭИК является экспертный анализ состояния исследований по изменениям климата, их причин и возможных последствий, а также оценка потенциала по принятию адаптационных мер и снижению антропогенного воздействия на климатическую систему как на глобальном, так и на региональном уровнях. Указанные задачи реализуются в виде оценочных отчетов, в составлении которых принимает участие обычно более 100 экспертов из разных стран мира, а также в подготовке других документов. К сожалению, участие российских экспертов в подготовке оценочных отчетов очень ограничено, причем статьи на русском языке в них практически не включаются. Значительная доля вины в этом лежит на российских экспертах.

Обратимся теперь к краткому анализу оценочных отчетов применительно к роли ВА в ПЭ. В Первом отчете (1990 г.) отмечается, что если бы водяной пар был единственным парниковым газом, то ПЭ при ясном небе для атмосферы средних широт должен составить 60–70%, в то время как вклад СО2 в ПЭ оценен в 25%. При этом концентрация влаги в атмосфере полностью определяется внутренними свойствами климатической системы, и в глобальном масштабе человек не влияет на его концентрацию. Но признавая водяной пар самым сильным парниковым газом в атмосфере Земли, в отчете МГЭИК [11] делается следующий вывод: «глобальное потепление – это, конечно же, результат СО2, являющегося парниковым газом. Это потепление, однако, производит взаимосвязанный эффект, более теплая атмосфера содержит больше водяного пара, который сам по себе является парниковым газом. Таким образом, увеличение одного парникового газа (СО2) приводит к увеличению другого парникового газа (водяного пара), приводя к механизму положительных обратных связей» [11].

В последующих отчетах (Второй отчет, 1995; Третий отчет, 2001; Четвертый отчет, 2007; Пятый отчет, 2013) водяному пару уже почти не уделяется внимание, основной акцент делается на том, что глобальное потепление – это результат «опасного антропогенного вмешательства в климатическую систему Земли». Так, в Четвертом отчете подчеркивается, что с ростом глобальной температуры воздуха концентрация водяного пара увеличивается, что является ключевым следствием, но не причиной глобального потепления [10]. «Изменения концентрации водяного пара представляют собой самое значительное последствие [ выдел. – В.М. ], влияющее на климатическое равновесие всей системы». Основное внимание в данном докладе уделяется антропогенному поступлению СО₂ в атмосферу, которое с очень высокой вероятностью обеспечивает современные изменения глобального климата. Причина, по которой водяной пар не учитывается как климатический фактор, состоит в том, что «прямые выбросы водяного пара от антропогенной деятельности создают пренебрежимо малый вклад в радиационный форсинг».

В Пятом отчете МГЭИК [9] приводятся сведения о том, что между ВА и температурой воздуха отмечается высокая корреляция на региональном и глобальном уровне. При этом наблюдения показывают увеличение содержания тропосферного водяного пара с 1970 г. на 3,5%, которое соответствует повышению глобальной температуры воздуха на 0,5оС [9]. Однако увеличение концентрации водяного пара является только следствием процесса глобального потепления, т.е. ответная реакция водяного пара на потепление – это типичный пример положительной обратной связи. По мнению экспертов МГЭИК следует учитывать лишь стратосферный водяной пар, который образуется в результате химических реакций из метана. Естественно, вклад его в ПЭ ничтожно мал.

В докладе утверждается, что «парниковые газы ответственны за потепление в диапазоне от 0,5°С до 1,3°С в период 1951–2010 гг. Вклад других антропогенных факторов, влияющих на климат, вероятно, находится в пределах от -0,6°С до 0,1°С. При этом вклад естественных климатообразующих факторов, скорее всего, находится в пределах от -0,1°С до 0,1°С. Суммарный вклад от всех факторов согласуется с наблюдаемым глобальным потеплением, равным примерно 0,6°С за этот период». Вывод: «в высшей степени вероятно ( ex^re^^e^y ^^ke^y , 95–100%), что влияние человека является доминирующей причиной наблюдаемого потепления с середины XX столетия» [9].

Итак, эксперты МГЭИК практически во всех отчетах признают, что именно водяной пар является основным парниковым газом и дают примерно правильное соотношение вкладов ВА и СО2 в ПЭ. Однако с каждым новым отчетом все больший крен делается на антропогенный характер глобального потепления. Очевидно, поэтому они упорно игнорируют возможное влияние ВА через ПЭ на глобальную температуру воздуха (ТВгл), утверждая, что увеличение концентрации водяного пара является ключевым следствием, но не причиной процесса глобального потепления и, следовательно, полностью обусловлено положительной обратной связью между ятельность влияет на современные колебания климата и ничего более. Очевидно, по этой причине они привлекают внимание к стратосферному водяному пару, происхождение которого может частично иметь антропогенный характер. Однако содержание влаги выше тропосферы ничтожно и естественно его радиационное воздействие несравнимо с эффектом углекислого газа.

Впрочем, существует вид человеческой деятельности, оказывающий прямое воздействие на содержание водяного пара, но о котором почему-то забыли эксперты МГЭИК. Это безвозвратное водопотреб-ление, преобладающая доля (до 85-90%) которого обуславливает дополнительное испарение в атмосферу при орошении сельскохозяйственных земель в засушливых районах земного шара (Средняя Азия, Африка, Австралия, Северная Америка и т.д.). На рис. 1 приводится межгодовой ход безвозвратного водопотребления на земном шаре в ХХ столетии. Если в 1900 г. безвозвратное водопотребление составляло менее 500 км3, то вследствие почти экспоненциального роста оно достигло в 2000 г. примерно 3000 км3, т.е. увеличилось в 6 раз. При этом если в целом за период 1900-1990 гг. линейный тренд составляет 25 км3/год, то за период 1950-2000 гг. он увеличивается в полтора раза и становится равным 39 км3/год.

Так как содержание водяного пара напрямую зависит от испарения, то, по сути, тренд в безвозвратном водопотреблении можно рассматривать как часть тренда общего влагосодержания атмосферы, который в ХХ столетии составлял 0,013 мм/год [2]. Если учесть, что площадь Земного шара составляет 510 млн км2, то тренд в безвозвратном водопотреблении составит

39 км3/год / 510 000 000 км2 = 0,0764 мм/год.

Однако с учетом того, что водяной пар в атмосфере обновляется примерно за 10 дней, получаем ними.

В Четвертом отчете наконец-то внятно сформулирована причина, по которой водяной пар не учитывается как климатический фактор. Она состоит в том, что «прямые выбросы водяного пара от антропогенной деятельности создают пренебрежимо малый вклад в радиационный форсинг» [10]. Именно антропогенная ангажированность является лейтмотивом всей деятельности экспертов МГЭИК. По их мнению, только человеческая де-

0,0764 мм/год / 36,5 = 0,00209 мм/год.

Рис. 1. Межгодовой ход безвозвратного водопотребления на земном шаре, в км3/год: 1 – безвозвратное водопотребление, 2 – линейный тренд [6].

Среда обитания

Общество. Среда. Развитие ¹ 3’2014

Таким образом, тренд безвозвратного водопотребления составляет около 16% от тренда влагосодержания атмосферы, т.е. деятельность человека может оказывать непосредственное воздействие на содержание водяного пара в атмосфере и полностью игнорировать ее нельзя.

Утверждение экспертов МГЭИК, что рост ВА является ключевым следствием, но не причиной процесса глобального потепления, по сути, противоречит выводам их Первого доклада, в котором, как уже отмечалось выше, показана основополагающая роль ВА в ПЭ. И хотя можно согласиться с тем, что с ростом температуры воздуха должно происходить некоторое увеличение концентрации водяного пара вследствие повышения влагоемкости атмосферы, однако существенно большее значение для роста ВА имеет испарение с поверхности океана. В работе [5] на основе данных архива CDAS за период 1980–2005 гг. показано, что линейный тренд в испарении с поверхности Мирового океана составляет Tr = 3,6 мм/год, а по данным архива OAFlux тренд в испарении за этот же период равен Tr = 4,6 мм/год [16]. Но поскольку испарение не связано с антропогенной деятельностью, то видимо по этой причине оно не интересно экспертам МГЭИК.

На наш взгляд, именно процессы взаимодействия океана с атмосферой, формирующие изменчивость составляющих вертикального влагообмена, являются главным фактором формирования межгодовых колебаний ВА, в том числе его тренда. В работе [2] на основе анализа трендов в безразмерном виде показано, что тренд во влагосодержании атмосферы в 2,3 раза выше, чем тренд в температуре воздуха. Даже если допустить, что рост ВА является исключительно следствием глобального потепления, то в этом случае его тренд никак не может быть больше тренда в температуре воздуха. Из данного результата следует, что тренд во влагосодержании формируется в большей степени счет процессов взаимодействия океана с атмосферой и в меньшей – под влиянием температуры воздуха.

Отметим еще одно обстоятельство. В общем случае парниковый эффект можно представить суммой природной и антропогенной компонент, т.е.

ПЭ = ПЭприр +ПЭантр.

Однако эксперты МГЭИК оперируют лишь понятием антропогенного ПЭ и фактически не обращают внимания на природную компоненту ПЭ. Но для механизма ПЭ не имеет значения происхождение (природное или антропогенное) водяного пара и других газов. Кроме водяного пара заметную природную изменчивость имеют и другие парниковые газы, в том числе углекислый газ. По данным [8], суммарное поглощение СО2 Мировым океаном и биосистемами суши составляет 5 млрд т С/год, т.е. более половины от эмиссии СО2 за счет антропогенной деятельности (8,6 млрд т С/год). Изменчивость источников и стоков СО2 в океане за период 1982-2010 гг. исследована в работе [4], в которой показано, что их межгодовые колебания весьма значительны. Причем, если до 1997 г. наблюдался рост поглощения Мировым океаном СО2, то затем наметилась тенденция к его уменьшению. Очевидно, что при сохранении указанной тенденции в ближайшие годы, 1997 год можно будет считать переломным, после которого Мировой океан начинает превращаться в климатической системе из стабилизатора парникового эффекта в его ускоритель.

Итак, если водяной пар считается основным парниковым газом, то вне зависимости от его происхождения, необходимо делать оценки изменения его концентрации и возможного влияния на изменения температуры воздуха, т.е. по сути, признать, что ВА также является климатобразующим фактором. Поэтому можно достаточно уверенно утверждать, что рост ВА является не только следствием глобального потепления, но и в определенной степени его причиной.

Обратимся к анализу статистической связи между средними годовыми значениями ВА над МО и глобальной температуры воздуха. Исходными данными по водяному пару послужили спутниковые ежемесячные значения ВА в сетке 1°Х1° с 1988 года в базе (ftp:// monthly_1deg/), получаемые в рамках проекта NASA Water Vapor Project [7; 13]. Для оценки средних для всего Мирового океана значений ВАМО исходные данные пересчитывались с учетом площадей одноградусных квадратов на соответствующей широте и рассматривались в пределах широтной зоны 60о ю.ш. – 60о с.ш. над свободной ото льда акваторией Мирового океана. Средние годовые значения аномалий глобальной приповерхностной температуры воздуха ∆TВгл были заимствованы непосредственно из архива HadCRUT4 . Важно, что эти данные являются независимыми по отношению друг другу.

На рис. 2 представлен график статистической связи между средними годовыми значениями ВА_МО и ∆TВ_гл, который свидетельствует об очень высокой линейной корреляции между ними ( r = 0,95). В

Рис. 2. График статистической связи между средними годовыми значениями ВАМО и ∆TВгл за период 1988–2012 гг. по данным [2].

чение влагосодержания, что в свою очередь через парниковый эффект ведет к росту температуры. Отсюда следует определенный дуализм в «поведении» атмосферного водяного пара, который является не только откликом на изменения климата, но и в определенной степени климатообразующим фактором.

Что касается глобального потепления, которое, по мнению экспертов МГЭИК, практически полностью обусловлено человеческой деятельностью, представляющей собой чуть ли не единственный фактор сов принципе, несложно рассчитать как прямое уравнение регрессии ВАМО = f1(ДТВгл), так и обратное АТВгл = f,(ВАМО), которые будут иметь одинаковую точность. Линейное уравнение регрессии между ∆TВгл и ВАМО, рассчитанное методом наименьших квадратов, имеет вид:

АТВ = -11.36 + 0.404 ВА _п, (1) гл МО ,

Коэффициент детерминации этого уравнения ^² = 0,90, а средняя квадратическая ошибка оценки температуры воздуха составляет σ _ТВ ^^ 0,05^оС, т.е. является малой величиной.

По фактическим данным о АТВгл и ВАМО были вычислены оценки их линейных трендов, которые составили соответственно TrTВгл = 0,014оС/год и TrВАМО = 0,0328 мм/год. За период 1988–2012 гг. рост ∆TВгл, понимаемый как разность между последним и первым значением тренда, составил 0,35оС, а рост ВАМО – 0,82 мм, т.е. за 25 лет оно возросло на 3%. Используя теперь уравнение (1), можно получить, что повышению ВАМО на 0,82 мм соответствует повышение TВгл на 0,33оС, т.е. тренд во влагосодержа-нии атмосферы через парниковый эффект в принципе может обеспечить фактический рост глобальной температуры воздуха. Таким образом, из простого модельного расчета следует, что в современных климатических условиях отмечаются согласованные изменения влагосодержания атмосферы над МО и глобальной температуры воздуха, которые могут быть обусловлены парниковым эффектом. Впрочем, принимая во внимание положительную обратную связь между ВА и ТВ сложно утверждать, что является причиной, а что следствием. Очевидно, что с повышением температуры воздуха происходит увели- ременных изменений климата, то с этим сложно согласиться. В общем случае межгодовую изменчивость глобальной температуры воздуха (ТВгл) можно рассматривать в виде аддитивной модели, состоящей из линейного тренда, циклических компонент и случайных колебаний, т.е.

ТВ гл = Tr ТВгл + C ТВгл + Р ТВгл        (2)

Исходя из данных реанализа [14] и приняв за начало отсчета 1880 год, в [3] был выделен мощный линейный тренд, а с помощью вейвлет-анализа – 60-летний, 20летний и 9–11 летний циклы. Дисперсионный анализ позволил оценить их вклад в дисперсию исходного временного ряда глобальной температуры D ( ТВ_гл).

В результате получаем уравнение (2) в дисперсионном виде:

D (TBJ = D ( Tr ) + D ( C 6o ) + D ( C 20 ) + D ( C _ю) + + D ( р ) = 0,64 + 0,12 + 0,03 + 0,02 + 0,19

Итак, вклад тренда, который идентифицируется как глобальное потепление, составляет 64%, 60-летнего цикла – 12%, на долю случайных колебаний приходится 19%.

Безусловно, 60-летний цикл требует к себе внимания и не может быть проигнорирован. К сожалению, вопрос о его происхождении до настоящего времени остается дискуссионным. Более того, со статистической точки зрения данный цикл может быть признан недостоверным, ибо укладывается в длину ряда всего дважды, что позволяет формально его интерпретировать как результат наложения случайных колебаний друг на друга. Однако межгодовой ход ТВгл в настоящее время подтверждает существование 60летнего цикла. Если в 2000 г. отмечался

Среда обитания

Общество. Среда. Развитие ¹ 3’2014

его очередной максимум, то тогда в 2030 г. следует ожидать минимум. Некоторый спад ТВгл после 2000 года свидетельствует в пользу этого цикла.

На наш взгляд, формирование глобального потепления обусловлено процессами крупномасштабного взаимодействия между океаном и атмосферой и регулируется системой положительных и отрицательных обратных связей, причем положительные связи преобладают. Довольно подробно их анализ дается в работе [1]. Так, положительные обратные связи существуют у глобальной температуры воздуха с температурой поверхности Мирового океана, его теплосодержанием, испарением, вла-госодержанием атмосферы, содержанием в атмосфере углекислого газа и др. Отрицательная обратная связь отмечается между температурой воздуха и ледовитостью Арктического бассейна. При повышении температуры ледовитость уменьшается, что приводит к уменьшению альбедо, увеличению площади чистой воды, свободной ото льда, увеличению эмиссии парникового газа метана в шельфовой зоне океана. В свою очередь это способствует повышению температуры воздуха.

Допустим, например, что под действием каких-либо климатообразующих факторов первоначальный положительный импульс получает температура воздуха. Это неминуемо сказывается на повышении поверхностной температуры поверхности океана и его теплосодержания, повышении уровня Мирового океана, повышении испарения, увеличения влагосодержания атмосферы, дополнительной эмиссии СО2 в атмосферу, уменьшения ледовитости Северного Ледовитого океана и понижения его альбедо, таяния ледников и вечной мерзлоты, вследствие чего в атмосферу выделяется метан, который во много раз более сильный парниковый газ, чем СО2. Все это, в конечном счете, определяет последующее нагревание атмосферы. Если климатообразующие факторы носят циклический характер, то по мере получения температурой воздуха отрицательного импульса процессы крупномасштабного взаимодействия океана и атмосферы начнут развиваться в обратном направлении и будет происходить похолодание климата.

Однако если климатообразующий фактор действует монотонно в одном направлении, причем постоянно усиливается, то, естественно, он будет влиять на формирование трендовой составляющей в изменениях климата. Таким фактором является совокупность всех видов антропогенной деятельности, наиболее важным из кото- рых служит сжигание ископаемого топлива и выбросы в атмосферу парниковых газов и прежде всего СО2. Атмосферное «покрывало» в виде этих газов стимулирует рост температуры через механизмы прямых и обратных связей в системе «океан–атмосфера». По сути, человеческую деятельность можно рассматривать в виде своеобразного спускового механизма мощных процессов в системе «океан–атмосфера», который приводит их в действие и одновременно не допускает самокомпенса-ции. Однако это не означает, что она играет преобладающую роль в глобальном потеплении. Более правильно сказать, что она является его стимулятором.

Сформулируем теперь концепцию формирования современного глобально -го потепления , в соответствии с которой оно обусловлено процессами крупномасштабного взаимодействия между океаном и атмосферой и регулируется системой положительных и отрицательных обратных связей, причем положительные связи преобладают. По сути, человеческую деятельность можно рассматривать в виде «спускового механизма» мощных процессов в системе «океан–атмосфера», который приводит их в действие и одновременно не допускает самокомпенсации.

Таким образом, однонаправленное совместное действие крупномасштабного взаимодействия процессов в системе «океан–атмосфера» и антропогенного фактора – это, возможно, наиболее реальный механизм современного потепления климата, т.е. формирования тренда в гло -бальной температуре воздуха .

Автор благодарен магистру РРГМУ А.И. Чухатиной за скрупулезный разбор отчетов МГЭИК, результаты которого использованы в данной статье.

выводы

Не вызывает сомнений, что водяной пар является главным парниковым газом. Его вклад в парниковый эффект составляет примерно 50%, облачности – 25%, т.е. суммарный вклад атмосферной влаги в ПЭ достигает 75%. При этом вклад углекислого газа составляет 20%, а на долю всех остальных газов приходится не более 5%. Тем не менее, с подачи МГЭИК происходит игнорирование роли ВА в современных изменениях климата и считается, что ВА является только их откликом. Причиной этого является антропогенный «лейтмотив» в деятельности экспертов МГЭИК. По их мнению, выбросы водяного пара от антропогенной деятельности создают пренебрежимо малый вклад в радиационный форсинг, поскольку только человеческая деятельность влияет на современные колебания климата и ничего более.

В действительности, главным фактором формирования межгодовых колебаний ВА являются процессы вертикального вла-гообмена океана с атмосферой, влияние которых на формирование тренда в ВА существенно выше температуры воздуха. Показано, что тренд во влагосодержании атмосферы через парниковый эффект в принципе может обеспечить фактический рост глобальной температуры воздуха в современных условиях. Однако, принимая во внимание положительную обратную связь между ВА и ТВ, сложно утверждать, что является причиной, а что – следствием. Очевидно, с повышением температуры воздуха происходит увеличение влагосо-держания, что в свою очередь через парниковый эффект ведет к росту глобальной температуры воздуха. Отсюда следует определенный дуализм в «поведении» атмосферного водяного пара, который является не только откликом на изменения климата, но и в определенной степени – климатообразующим фактором.

Сформулирована концепция формирования глобального потепления, в соответствии с которой оно обусловлено процессами крупномасштабного взаимодействия между океаном и атмосферой и регулируется системой положительных и отрицательных обратных связей, причем положительные связи преобладают. «Приводным ремнем» мощных процессов в системе «океан–атмосфера», который одновременно не допускает самокомпенса-ции, служит человеческую деятельность. Поэтому однонаправленное совместное действие крупномасштабного взаимодействия процессов в системе «океан–атмосфера» и антропогенного фактора является наиболее реальным механизмом современного потепления климата, т.е. формирования тренда в глобальной температуре воздуха.