Общая_климатологияКн1

В связи с тем, что характеристики климата по отдельным элементам не для всех целей достаточны, возникло направление, получившее название комплексной климатологии, согласно которой климат характеризуется повторяемостью типов погоды, т. е. определенными сочетаниями метеорологических элементов. Комплексная климатология в СССР была разработана Е.Е. Федоровым и Л.А. Чубуковым.

Были подготовлены и такие известные учебные издания по климатологии, как:

-Алисов Б.П., Дроздов О.А., Рубинштейн Е.С. Курс климатологии.

Л.: Гидрометеоиздат, 1952. 3 части.

-Костин С.И., Покровская Т.В. Климатология. Л.: Гидрометеоиз-

дат,1961.

-Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология.

-Кобышева Н.В., Костин С.И., Струнников Э.А. Климатология.

Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

-Хромов С.П. Метеорология и климатология для географических факультетов. 1962; 3 изд., 1983.

Современный этап развития климатологии

Переходом на новый современный уровень развития климатологии можно считать 1956 г., когда рядом государств, в том числе и СССР, были организованы обширные метеорологические наблюдения на всем пространстве земного шара, включая и Антарктику, а также наблюдения в высоких слоях атмосферы. Эти наблюдения в период 1957–1958 гг. входили в программу Международного геофизического года, а затем продолжились в порядке международного геофизического сотрудничества. Они имели огромное значение в выяснении природы различных атмосферных явлений, в частности процессов, совершающихся в южном околополюсном районе, а также климатических условий Антарктики. Последующие международные проекты (ТРОПЭКС, ПИГАП) позволили собрать большой экспериментальный материал уже и с привлечением спутниковых данных, который стал основой для разработки первых физико-математических моделей климата. В это же время появились компьютеры, мировые и региональные центры гидрометеорологических данных и климатические базы

60

многолетних рядов наблюдений и стал осуществляться международный обмен. Климатология вышла на новый уровень как информационного обеспечения, так и математического моделирования. В настоящее время климатические модели являются трехмерными и включают не только блоки атмосферы и океана при их взаимодействии, но и химические и биологические составляющие климатической системы, выходя на уровень математических моделей планеты Земля. Также был сделан большой прогресс в изучении климата прошлого на основе получения и исследования морских отложений, ледовых кернов Гренландии и Антарктиды.

В эти же годы на первый план вышла проблема современного изменения климата. В 1950 г. усовершенствованная спектрография показала, что линии поглощения CO2 и водяного пара полностью не перекрываются. Климатологи также поняли, что верхние слои атмосферы содержат совсем немного воды. Оба эти открытия указывали на то, что водяной пар не перекрывает парниковый эффект CO2. В 1955 году Ганс Зюсс, проанализировав содержание в атмосфере углерода-14, показал, что CO2 из ископаемого топлива не сразу поглощается океаном. В 1957 г. изучение химии океана привело Роджера Ревелла к пониманию того, что верхний слой океана имеет ограниченную способность поглощать углекислый газ. К концу 1950-х годов всё больше учёных настаивали, что выбросы углекислого газа могут быть проблемой. Согласно некоторым прогнозам, уровень CO2 с 1959 года к 2000 году должен был подняться на 25%, что должно повлиять на климат «радикальным» образом. В 1960 году Чарльз Дэвид Килинг показал, что уровень CO2 в атмосфере действительно растёт, как и предсказывал Ревелл. Тревога росла год от года вместе с ростом атмосферного CO2 на «графике Килинга».

Ещё один ключ к пониманию природы изменения климата появился в середине 1960-х в результате анализа глубоководных морских отложений, который сделал Чезаре Эмилиани, и анализа древних кораллов, автором которого был Уоллес Броекер с сотрудниками. Согласно их исследованиям, было не четыре длинных ледниковых периода, а большое количество коротких, которые регулярно чередовались. Оказалось, что время ледниковых периодов согласуется с малыми орбитальными сдвигами циклов Милан-

61

ковича. Несмотря на то, что вопрос оставался спорным, некоторые учёные начали предполагать, что климатическая система чувствительна к малым изменениям, и может легко перейти из стабильного состояния в какое-то другое.

Учёные тем временем начали использовать компьютеры для разработки более сложных версий расчётов Сванте Аррениуса, который получил еще в конце 19 столетия количественную оценку роста глобальной температуры на 5,5°C при удвоении концентрации CO2. В 1967 году, воспользовавшись способностью компьютеров численно интегрировать кривые поглощения, Сюкуро Манабе и Ричард Ветералд сделали первый подробный расчёт парникового эффекта, включая конвекцию («одномерная излучающеконвективная модель Манабе-Ветералда»). Они обнаружили, что без учёта малоизученных обратных связей, таких как изменения в облаках, удвоение двуокиси углерода от текущего уровня приведёт к увеличению глобальной температуры примерно на 2°C.

К началу 1960-х годов аэрозольное загрязнение («смог») стало серьезной локальной проблемой во многих городах, и некоторые учёные стали задаваться вопросом, может ли охлаждение из-за загрязнения атмосферы твёрдыми частицами повлиять на глобальные температуры. Учёные не были уверены, какой из двух эффектов будет преобладать: охлаждающий от загрязняющих частиц, или нагревающий от выбросов парниковых газов. Несмотря на эту неуверенность, начали подозревать, что антропогенные выбросы могут стать разрушительными для климата в 21-м веке, если не раньше. В своей книге «Популяционная бомба», изданной в 1968 году, Пол Эрлих писал: «Парниковый эффект сейчас усиливается из-за значительного повышения уровня углекислого газа… Этому сейчас противостоят низкие облака, порождённые инверсионными следами самолётов, пылью, и другими загрязняющими веществами… Сейчас невозможно предсказать, каким будет итоговый результат для климата от нашей практики использования атмосферы

вкачестве свалки».

Вначале 1970-х свидетельства того, что количество аэрозолей увеличивается по всему миру, заставляли Рида Брайсона и других исследователей предупреждать о возможности серьезного похолодания. Между тем новые доказательства корреляции между вре-

62

менными рамками ледниковых периодов и предполагаемых орбитальных циклов позволили предположить, что климат будет постепенно охлаждаться в течение более тысячи следующих лет. Впрочем, если речь идёт о прогнозах на столетия вперед, обзор научной литературы с 1965 по 1979 показывает, что 7 статей прогнозировали похолодание и 44 потепление (много других статей о климате воздерживались от прогнозов). В последующей научной литературе статьи, предсказывающие потепление, цитировались гораздо чаще. Несколько научных организаций, работавших в те годы, пришли к выводу о необходимости дополнительных исследований, указывая, что авторы научной литературы еще не пришли к консенсусу.

В 1972 году Джон Сойер опубликовал исследование «Техногенный диоксид углерода и «парниковый» эффект». Он обобщил тогдашние знания в этой области, доказательства антропогенного происхождения диоксида углерода, его распределение и экспоненциальный рост. Кроме того, он точно предсказал скорость глобального потепления на период с 1972 до 2000 года: «Увеличение на 25% CO2 ожидается к концу века, ему будет соответствовать увеличение глобальной температуры на 0,6°C – это несколько больше, чем климатические изменения последних веков» (Джон Сойер, 1972 г.)

Доказательства потепления накапливались. К 1975 году Манабе и Ветералд разработали трехмерную глобальную модель климата, которая давала достаточно точное представление о нынешней ситуации. Удвоение уровня углекислого газа в смоделированной атмосфере дало рост глобальной температуры примерно на 2°C. Несколько других видов компьютерных моделей дали сходные результаты: было невозможно предложить модель, которая бы давала что-то похожее на реальный климат и не демонстрировала бы при этом повышения температуры с увеличением концентрации CO2.

Независимо от них в 1976 году Николас Шеклтон и его коллеги опубликовали анализ морских глубоководных отложений, в котором показали, что преобладающее влияние на время ледниковых периодов обнаруживает орбитальный цикл Миланковича протяженностью около 100 тысяч лет. Это было неожиданно, так как

63

изменение солнечного излучения во время этого цикла было небольшим. Результат подчеркнул, что климатической системой управляют обратные связи, и, таким образом, при определенных условиях она сильно восприимчива к небольшим изменениям.

В1979 году Всемирная климатическая конференция, проведенная Всемирной метеорологической организацией, пришла к такому выводу: «Кажется вероятным, что повышенное количество углекислого газа в атмосфере может способствовать постепенному нагреву нижней атмосферы, особенно в высоких широтах … Возможно, что некоторые эффекты в региональном и глобальном масштабах можно будет обнаружить до конца этого века, а к середине следующего столетия они станут значимыми».

К началу 1980-х годов небольшая тенденция к похолоданию, имевшая место с 1945 по 1975 год, остановилась. Аэрозольное загрязнение уменьшилось во многих регионах мира путём внедрения экологического законодательства и благодаря изменениям в использовании топлива. Стало ясно, что охлаждающий эффект от аэрозолей не будет существенно увеличиваться, а уровень углекислого газа продолжает расти.

В1982 году Ханс Ечгер и Вилли Дансгаард с сотрудниками получили в Гренландии керны льда, которые показали, что в далеком прошлом имели место драматические колебания температуры

впределах одного столетия. Самое заметное из изменений, которое они зарегистрировали, соответствует резкой флуктуации климата в позднем дриасе, которую можно видеть по изменениям в типах пыльцы на дне озёр по всей Европе. Оказалось, что быстрые климатические изменения были возможны на временном интервале в одно столетие.

В1973 году британский ученый Джеймс Лавлок предположил, что хлорфтор-углероды (ХФУ) могут вызывать глобальное потепление. В 1975 году Вирабхадран Раманатхан обнаружил, что молекула ХФУ как поглотитель инфракрасного излучения в 10 тысяч раз эффективнее, чем молекула углекислого газа, что делает ХФУ потенциально важным фактором глобального потепления, несмотря на их очень низкую концентрацию в атмосфере. Хотя большинство ранних работ по ХФУ сосредоточены на их роли в истощении озонового слоя, к 1985 году Раманатхан и другие ис-

64

следователи показали, что ХФУ вместе с метаном и другими газами, находящимися в атмосфере в следовых количествах, могут почти так же повлиять на изменение климата, как и увеличение CO2

иглобальное потепление будет происходить быстрее, чем ожидали.

Виюне 1988 года Джеймс Хансен одним из первых высказал точку зрения, согласно которой антропогенное потепление уже меняет глобальный климат, и это можно зарегистрировать приборами. Вскоре после этого «Всемирная конференция по проблемам изменяемой атмосферы: последствия для глобальной безопасности» собрала сотни учёных и других заинтересованных лиц в Торонто. Они пришли к выводу, что изменения в атмосфере из-за антропогенного загрязнения «представляют собой серьёзную угрозу для международной безопасности и уже приводят к пагубным последствиям во многих частях земного шара», и заявили, что к 2005 году мир должен снизить выбросы примерно на 20% ниже уровня 1988 года.

В1980-х годах произошли важные прорывы в решении некоторых глобальных экологических проблем. Например, истощение озонового слоя было смягчено Венской конвенцией (1985) и Монреальским протоколом (1987). Кислотные дожди преимущественно регулируются на национальном и региональном уровнях.

В1988 году Всемирная метеорологическая организация учредила Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК) при поддержке ЮНЕП. МГЭИК продолжает свою работу до настоящего времени, она издаёт серию Оценочных докладов и дополнительных отчётов, которые описывают состояние научного понимания на момент выхода очередного доклада. Доклады выходят примерно раз в 5–6 лет, МГЭИК представляет результаты исследований, проведённых в течение этого периода. Оценочные доклады были опубликованы в 1990 году (первый), 1995 году (второй), 2001 году (третий), 2007 году (четвёртый) и 2014 году (пятый).

С 1990-х годов исследования по изменению климата расширились, охватив многие отдалённые и несхожие области науки, такие как физика атмосферы, численное моделирование, социология, геология и экономика. Наиболее известные журналы, такие как Science и Nature сейчас часто публикуют научные статьи об

65

изменении климата. Кроме того, есть много тематически ориентированных журналов по исследованиям изменения климата, такие как Nature Climate Change, Climate Change, Journal of Climate, Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change и International Journal of Climate Change Strategies and Management, а также многие специализированные журналы, посвящённые смежным научным дисциплинам, публикуют статьи об изменениях климата, напри-

мер, Quaternary Research.

Воктябре 2018 года МГЭИК опубликовала Специальный доклад о глобальном потеплении на 1,5 °C. В докладе освещается ряд последствий изменения климата, которых можно было бы избежать, ограничив глобальное потепление 1,5°C по сравнению с 2°C, или более того. Например, к 2100 году глобальное повышение уровня моря будет на 10 см ниже при глобальном потеплении на 1,5°C по сравнению с 2°C. В докладе делается вывод о том, что ограничение глобального потепления 1,5°C потребует «быстрых и далеко идущих» переходных процессов, касающихся земельных, энергетических, промышленных систем, а также зданий, транспорта и городов. Глобальные выбросы двуокиси углерода, вызванные деятельностью человека, необходимо будет сократить к 2030 году почти на 45% по сравнению с уровнями 2010 года, достигнув «чистого нуля» приблизительно к 2050 году. Это означает, что все остающиеся выбросы должны быть сбалансированы за счет удаления CO2 из воздуха.

Всентябре 2019 года ООН проведет Саммит по климату, на котором будут обсуждаться проблемы в данной области. Ожидается, что мировые лидеры выступят с докладами о предпринимаемых мерах и запланированных мероприятиях в преддверии Конференции ООН по климату, которая состоится в 2020 году.

Современная отечественная климатология, прежде всего, связана с именем академика Михаила Ивановича Будыко (1920–2001), который внес большой вклад в оценку современного изменения климата и был удостоен в 1998 г. премии «Голубая Планета» Фонда Асахи, что приравнивается к Нобелевской премии в науках о Земле (рис. 1.9). Охватывая широкий круг естественных и гуманитарных наук, научные работы М.И. Будыко посвящены, преиму-

66

щественно, крайне актуальной проблеме — взаимодействию человека с окружающей средой, то есть с биосферой Земли.

Рис. 1.9. М.И. Будыко (1920–2001 гг.)

Совместно с А.А. Григорьевым он сформулировал «периодический закон географической зональности» (в разных географических поясах, обладающих различными тепловыми ресурсами, но в близких по увлажнению условиях формируются типы ландшафтов аналогичные соответствующим географическим зонам). Произвёл расчёт теплового баланса Земли с учетом падающего потока солнечной энергии. М.И. Будыко и его сотрудники составили два атласа теплового баланса земли, изданные в 1955 и 1963 гг. Главные результаты этой работы изложены в монографии М.И. Будыко «Тепловой баланс земной поверхности» (1956), которая была переведена на английский и другие языки, и в 1958 г. была отмечена Ленинской премией.

Одним из первых он создал «энерго-балансовую» модель климата, которая стала базовой в современных исследованиях глобального потепления. Цикл основанных на изучении осадочных отложений исследований истории атмосферы Земли, выполненный

67

М.И. Будыко совместно со специалистами в области биохимии и геологии, позволил объяснить не только механизм изменений климата в геологическом прошлом, но и ряд связанных с ними закономерностей эволюции живых организмов. На международной конференции по климатологии, состоявшейся в 1971 г. в Ленинграде, М.И. Будыко высказал убеждение, что в ближайшем будущем начнется глобальное потепление, которое в следующем веке достигнет нескольких градусов. Эта точка зрения была изложена им в брошюре „Влияние человека на климат“ (1972). В 1980–90-х годах повышение средней температуры воздуха у земной поверхности достигло рекордно высоких значений, которые соответствовали количественному прогнозу М.И. Будыко.

С 1975 г. М.И. Будыко работал в Государственном гидрологическом институте (ГГИ), где организовал отдел исследований изменения климата. В период работы М.И. Будыко в ГГИ им была создана рабочая группа в рамках Межправительственного Соглашения между СССР и США по охране окружающей среды и изменениям климата. РГ-8 предвосхитила деятельность ЮНЕСКО по этой тематике и провела множество международных совещаний по проблеме изменений климата, а также спонсировала ряд совместных публикаций советских и американских климатологов, таких как, например, «Предстоящие изменения климата» (1991 г.). В составе отдела климата в ГГИ совместно с М.И.Будыко в разное время работали такие известные климатологи, как О.А. Дроздов, К.М. Лугина, К.Я. Винников, Г.В. Менжулин, И.И. Борзенкова, Э.К. Бютнер, О.А. Анисимов. Сам отдел представлял довольно сильное научное подразделение, занимавшееся различными аспектами изменений климата – от сбора и анализа данных до изучения влияния изменений климата на продуктивность естественных и сельскохозяйственных экосистем, изучения глобального круговорота углерода и палеоклиматов.

На основе изучения палеоклиматов был предложен новый подход к прогнозированию состояния климатической системы посредством составления так называемых аналогов климата будущего. Метод палеоаналогов позволял при весьма скромной в СССР

вычислительной базе давать состоятельные прогнозы климатов будущего. В начале 1990-х гг. этот метод получил развитие и в

68

США, где М. Хоферт и К. Ковеи опубликовали статью (Hoffert, Covey 1992), в которой показали, как метод палеоаналогов может быть использован для определения подгонных коэффициентов в больших климатических моделях. Анализ палеоклиматов позволил Будыко получить оценки изменений глобальной и региональной температуры поверхности при изменении радиационного форсинга на определенную величину. Это отношение изменений температуры к изменениям радиационного форсинга было названо «чувствительностью климата» и оценено как число в диапазоне от 2 до 4ºС на каждые 4,4 вт/м2. Величина радиационного форсинга в 4,4 вт/м2 создается при удвоении атмосферной концентрации СО2. Поэтому данная величина стала известна как ∆Т2x, или чувствительность климата на удвоение атмосферной концентрации углекислого газа.

Среди других известных климатологов современного периода можно назвать такие имена, как В.М. Катцов, В.П. Мелешко (ГГО), В.П. Дымников, В.Н. Лыкосов, Е.М. Володин (Институт вычислительной математики РАН), И.И. Мохов (Институт физики атмосферы им. А.И. Обухова) с работами по моделированию климатической и земной системы, Н.В.Кобышева с работами по прикладной климатологии, Г.В. Груза (Институт географии РАН) с работами по статистическому моделированию климата, Ю.П. Переведенцев (Казанский университет) с работами по оценке региональных изменений климата и другие.

1.4. Международные организации в области климатологии

Необходимость в объединении усилий при изучении климата Земли было осознана уже давно. По мере становления метеорологической сети наблюдений и накопления данных измерений и их публикаций, начался обмен методами, информацией и результатами обобщения данных. В 1873 г. в Вене состоялся первый международный метеорологический конгресс, на котором были выработаны единые сроки измерений и единый телеграфный код передачи метеосведений. На этом же конгрессе была основана Международная метеорологическая организация (ММО) в целях содействия обмену метеорологической информацией между странами. Пер-

69