Почему изменяется климат?
Потепление климата, начавшееся в последней четверти ХХ века, и возрастающее количество экстремальных погодно-климатических явлений стали заметно влиять на жизнедеятельность человека, безопасность его проживания. Периоды потепления были и раньше, например в 1930—1940-х годах, но со временем потепления сменялись похолоданиями и климат возвращался к привычному. Отличие потепления последней четверти ХХ века от более ранних — беспрецедентная скорость повышения глобальной температуры.
Первые предположения о связи изменения климата с хозяйственной деятельностью человека высказывались ещё в ХIХ веке. Тогда это вмешательство усматривали в изменении человеком растительности: именно в том столетии были вырублены огромные лесные территории. Одни исследователи утверждали, что из-за вырубки лесов климат Европы стал суше, а другие, основываясь на данных, полученных на территории Америки, Индии и некоторых других стран, приходили к совершенно другим выводам. То есть если в одних работах истребление леса рассматривалось как причина иссушения климата, то в других — как причина его переувлажнения. Михаил Александрович Боголепов — русский и советский географ — приводит высказывание Эдуарда Брюкнера, немецкого географа и климатолога (Eduard Brückner, 1862—1927): «Какая-то психологическая загадка является перед нами, когда сильнейшие представители науки шаг за шагом утверждают изменения климата (в историческое время) в одной и той же стране, но друг друга исключающие; и не менее важной психологической загадкой является то обстоятельство, что при самых разнообразных и часто противоречащих изменениях лес оказывается козлом отпущения, который должен брать каждый раз всю вину на себя»1.
Пришли другие времена, и теперь не вырубки леса, а его сжигание и сжигание любого другого топлива — угля, газа, нефтепродуктов — рассматриваются как причина изменений современного климата. Почему?
Солнце — источник тепла на Земле. Воздух беспрепятственно пропускает видимое солнечное излучение к поверхности Земли, которое нагревает её. Температура воздуха при этом не изменяется, но затем тепло от поверхности Земли уже в виде более длинноволнового теплового (инфракрасного) излучения уходит в атмосферу. Однако не всё инфракрасное излучение может беспрепятственно пройти через атмосферу и уйти в космос. Водяной пар, углекислый газ и некоторые другие газы обладают свойством поглощения тепловых лучей. Уходящие тепловые лучи, частично поглощаясь в воздухе, повышают его температуру — это парниковый эффект накопления тепла. От концентрации СО2 в атмосфере зависит её способность поглощать уходящее тепло. Чем больше СО2 в атмосфере, тем сильнее парниковый эффект, который теоретически должен задерживать уходящее тепло и повышать температуру воздуха. Но достаточно ли этого дополнительного тепла для заметного изменения климата?
1 Боголепов М. А. Периодические возмущения климата. // Периодические процессы и биосфера. Т. 5, 2006, № 1. С. 32—68.
Климатические модели и их достоверность
Атмосфера — лишь часть климатической системы, в которую также входят взаимодействующие между собой океан, суша, снег, лёд. Малая теплоёмкость атмосферы по сравнению с другими составляющими климатической системы не позволяет заметно измениться температуре воздуха раньше, чем нагреется океан. Для проверки гипотезы о влиянии человека на климат потребовалось создать физико-математическую модель взаимодействий климатической системы и попытаться воспроизвести наблюдаемые изменения климата ХХ века. Такие модели создали во многих ведущих климатических центрах мира. Сначала попытались воспроизвести климат ХХ века без привлечения космических факторов и антропогенных парниковых газов (углекислого газа, метана и др.), предполагая, что климатическая система замкнутая, без внешнего влияния, а все отклонения от нормального состояния климата определяются исключительно её внутренними особенностями и взаимодействиями. Добавили в модели только влияние выбросов пепла вулканами при их извержениях: вулканический пепел в атмосфере задерживает приходящее солнечное излучение и способствует временному понижению температуры воздуха в нижнем слое атмосферы.
Насколько такие модели оказались жизнеспособными, можно понять из графиков изменения глобальной температуры по данным наблюдений и вычисленных модельных оценок той же температуры по годам (рис. 1). Модельные оценки глобальной температуры на Земле получены осреднением для каждого года значений, вычисленных по ансамблю из пяти лучших моделей проекта климата (CMIP5 — Coupled Model Intercomparison Project — Phase 5, международный проект сравнения моделей — фаза 5). На рисунке видно, что, по данным наблюдений, температура во второй половине ХХ века повышалась, а вычисленные по моделям значения температуры не возрастают. То есть одними природными процессами внутри замкнутой климатической системы не удаётся описать наблюдаемое в последней четверти ХХ века потепление климата.
Внешние по отношению к климатической системе факторы — это и космические воздействия, и парниковый эффект от выбросов углекислого газа человеком. Однако в дальнейшем задача учёта всех возможных внешних факторов влияния на климат многими исследователями была сужена до проверки антропогенной гипотезы, то есть причины глобального потепления в конце ХХ века априори связали только с деятельностью человека. Другие внешние факторы сочли несущественными.
Антропогенная гипотеза основывается на том, что потепление в конце ХХ века совпало с ускорением развития промышленности, активного роста объёмов сжигаемого топлива и с увеличением выбросов углекислого газа в атмосферу. Но достаточно ли было тепла от антропогенного СО2 для того, чтобы в конце ХХ века изменить глобальную температуру? На этот вопрос модели ответить не могли, поэтому их пришлось настраивать экспериментально путём подбора настроечных коэффициентов так, чтобы приблизить модельные изменения глобального климата в ХХ веке к фактическим данным наблюдений. По этому пути пошли авторы всех моделей климата.
Модели климата содержат более ста настроечных коэффициентов, поэтому вариантов настройки очень много, а физически правильный вариант только один и он неизвестен.
Введение в модели парникового эффекта, вызванного антропогенным углекислым газом, и количественная настройка каждой модели по данным наблюдений позволила эмпирически добиться сходства изменений модельного глобального климата с реальными изменениями по данным наблюдений в ХХ веке (рис. 2).
Научных обоснований для подобранных коэффициентов нет. Авторы моделей признают, что подбор коэффициентов — это не наука, а искусство. Не исключено, что при такой настройке ошибки в одних блоках модели нейтрализуются ошибками в других блоках, а вместе модель построена физически неправильно.
Если модель физически правильно построена и все экспериментальные коэффициенты настройки подобраны верно, то она должна описывать не только многолетнее изменение средней глобальной температуры, но и особенности изменений температуры в разных регионах Земли. Однако ошибки оценок региональной температуры по ансамблю из 16 лучших климатических моделей оказались в интервале ±4°С севернее 40° с. ш. в Северном полушарии и южнее 70° ю. ш. в Южном полушарии, а также около ±2°С в средних и приэкваториальных широтах. Эти оценки приведены на картах ошибок (рис. 3). Тем не менее авторы этих 16 моделей сочли возможным сделать вывод о пригодности этих моделей для доказательства антропогенной природы современного потепления климата на десятые доли градуса.
Наибольшие ошибки в описании температуры, которые дают модели для Мирового океана, оказались в районах вдоль траекторий основных океанических течений: Антарктического (вокруг Антарктиды), Перуанского (вдоль побережья Перу), Северного и Южного пассатных течений в приэкваториальной части Тихого океана, Калифорнийского (у побережья Калифорнии) и Северо-Атлантического в Атлантике. Это заметно на рис. 3 при сравнении цветных полей ошибок с траекториями течений.
Наилучшая проверка надёжности существующих моделей — сравнение прогнозов климата, составленных ранее, с фактическими данными современных наблюдений. Сравним прогнозы климата ведущего климатического центра мира — The Meteorological Office (сокращённо Met Office — Метеорологическое бюро Великобритании), опубликованных ранее, с современными данными наблюдений. (В Великобритании прогноз климата делают по своей собственной модели, которая признана одной из лучших в мире.) В 2003 году предполагалось, что дальнейшее потепление будет усиливаться возрастающими темпами по экспоненте, но этого не случилось, обнаружилась пауза в потеплении климата, хотя накопление СО2 в атмосфере продолжалось. При составлении нового прогноза в 2011 году учли ошибку модели, скорректировали начальные условия и опять спрогнозировали интенсивный рост температуры на несколько ближайших лет. Но уже в 2012 году предположили, что пауза в потеплении может затянуться, поэтому в новом прогнозе от декабря 2012 года прогностическую температуру понизили. В прогнозе 2016 года от стабилизации отказались и опять спрогнозировали интенсивное потепление до 2020 года (рис. 4). Необходимость частой подстройки вызывает ещё большее недоверие к прогностическим моделям, по которым делается судьбоносный вывод о доминирующей роли человека в современном глобальном потеплении климата.
Изменение климата в 1800— 2019 годы и количество антропогенных выбросов углекислого газа
Охват всех регионов Земли инструментальными метеорологическими наблюдениями начинается с середины ХХ века. В более ранние годы наблюдения не проводились в удалённых незаселённых регионах планеты, поэтому надёжные данные о средней глобальной температуре существуют примерно с 1950 года. Модели климата настраивались на коротких рядах, в этом отчасти их недостаток. Но по некоторым метеорологическим станциям наблюдения имеют двухвековую историю. Ряды длительных наблюдений по отдельным станциям позволяют анализировать особенности климата в эпоху до начала интенсивных выбросов СО2 в атмосферу и сравнивать их с особенностями изменений климата во второй половине ХХ века. Такое сравнение — дополнительная проверка правомерности антропогенной гипотезы.