Изменения климата
Очень часто приходится слышать, что погода не та, что должна была бы быть. Наши представления о погоде субъективны, поэтому, чтобы понять направленность климатических изменений, нельзя воспользоваться голосованием. В течение современной эпохи во всем мире службами погоды собрано огромное количество данных. Изучение этих данных показывает, что изменение средних значений удивительно мало. Анализируя изменения средних годовых температур двух тридцатилетних периодов, Митчелл (1963) установил, что между параллелями 60° ю. и 60° с. изменение температуры воздуха от 1890—1919 к 1920—1949 гг. составило 0,22 ±0,04° С. Такое изменение можно признать значительным, и все же оно не может быть установлено без специального изучения данных. Однако в более ограниченных районах климатические изменения могут проявляться много ярче. Например, между 1962 и 1965 гг. северо-восточная часть США подвергалась необычной засухе, имевшей тяжелые экономические последствия. Метеорология до сих пор не имеет достаточно надежного метода для предсказания долговременных изменений погоды с большой заблаговременностью. Климатические изменения в течение последних 1000 лет в пределах северной части Атлантического океана оказали существенное влияние на мировую историю. Несмотря на то что для этого периода данные инструментальных наблюдений отсутствуют, представляется возможным получить объективную картину климатических особенностей этого периода по древним историческим документам. В частности, в Исландии, где близость льда к побережью является наглядным показателем межгодовых особенностей климатических вариаций, дневники фермеров с древнейших времен содержат записи о наличии льда у побережья. На основании выборок из таких дневников Кох (1945) составил обзор изменений ледовых условий у берегов Исландии начиная с 860 г. нашей эры, т. е. 10 лет спустя после открытия этого острова скандинавами. До конца XII в. ледовые условия были сравнительно благоприятными, и когда в 981 г. Эйрик Рыжий был изгнан из Исландии, он отплыл на запад и колонизовал Гренландию. Его сын Лейв Эйриксон в конце X в. достиг восточного побережья Северной Америки. На протяжении XIII—XIV вв. ледовые условия становятся более трудными, льды блокировали судоходные трассы между Исландией и Гренландией. Похолодание и ухудшение ледовых условий помогли эскимосам вытеснить из Гренландии большинство скандинавских поселений. В результате викинги не заселили Северную Америку. В XV—XVI вв. происходило потепление климата, однако к этому времени эскимосы овладели Гренландией, а к началу XVI в. опустели последние поселения викингов в Гренландии. В течение следующих трех столетий происходило быстрое ухудшение климата. Эскимосские поселения в Гренландии оказались изолированными, и восточное побережье Гренландии стало необитаемым. Сельское хозяйство в Исландии пришло в упадок настолько, что рассматривалась возможность переселения исландцев в Европу. К началу XX в. климатические условия смягчились и датчанам удалось организовать вдоль большей части гренландского побережья административные центры. Лэмб (1964) провел исследование древних записей о теплых и суровых зимах в европейских странах. Используя такую информацию, как даты замерзания и очищения ото льда рек и озер, Лэмб установил типы суровости зим. Пример его классификации приведен на рис. 29.3. Верхняя кривая показывает климатические изменения в регионе Лондон — Париж, а нижняя— в районе Киева (50° с.ш., 30° в.д.). Затем началось похолодание — этот период часто называют периодом малого оледенения. Это похолодание закончилось в конце XIX в. Хотя основные черты крупномасштабных климатических изменений в различных районах Западной Европы были сходны между собой, в различных местах они проявлялись неодновременно. Следовательно, происходило не одновременное изменение климата всего полушария, а скорее комплекс взаимообусловленных изменений. Наибольшее влияние на человечество оказали климатические изменения, происходившие при оледенении четвертичного периода. Наступание и отступание материкового ледяного щита в Северной Америке и на северо-западе Евразии вызвали изменение уровня моря на 100 м. Сведений о последовательности смены ледниковых и межледниковых периодов нет, поэтому вполне возможен новый ледниковый период в течение последующих 10000 лет. Если до этого времени человечество не погубит себя атомной войной или вследствие отравления отходами производства, то вполне реален вопрос: «Сможем ли мы изучить среду, в которой обитаем, настолько, чтобы предвидеть и, может быть, регулировать наступление следующего оледенения?» Надо полагать, что если мы переживем холодную войну, то наши потомки смогут подготовиться к войне с холодом.
Океан и изменения климата
Причины климатических изменений
Солнце. На основании изложенного можно видеть, что климат подвержен значительным изменениям. Теперь попытаемся разобраться в причинах климатических изменений и, в частности, в той роли, которую океан может играть в регулировании климата. Начнем с первоисточника энергии — Солнца. В главе 5 мы убедились, что движение Земли определяет сезонные вариации количества получаемой ею солнечной радиации. Помимо очевидных годовых циклов, существуют также менее заметные долговременные циклы, которые являются результатами вариаций эллиптичности земной орбиты (92 тысячи лет), изменений главной оси земной орбиты (21 тысяча лет) и колебаний наклона земной оси в плоскости ее орбиты (40 тысяч лет). Суммарный эффект этих циклов невелик. Миланкович (1938) рассчитал, что вариации в инсоляции, которая попадает на параллель 65° с, равносильны смещению широты на 5°. Следует заметить, однако, что периодичность этих вариаций такого же порядка, как и у гляциологических циклов. Если поверхность нашей планеты так чувствительна к этим слабым воздействиям, то влияние астрономических вариаций может быть весьма значительным. Произведенные Миланковичем расчеты вариаций приходящей солнечной радиации основывались только на геометрических изменениях взаимоположения Солнца и Земли и исходили из допущения постоянства энергии, излучаемой Солнцем. Известно, что энергия, излучаемая Солнцем, подвержена флуктуациям, например количество солнечных пятен меняется с 11-летней периодичностью. К сожалению, мы еще не имеем инструментальных данных, показывающих, насколько постоянна общая энергия, излучаемая Солнцем. Измерения, выполняемые на земной поверхности, определяют только количество солнечной энергии, которая прошла через атмосферу. Для изучения истинных вариаций излучения солнечной энергии необходимы длительные наблюдения вне атмосферы. Есть основания надеяться, что данные наблюдений со спутников или актинометрические наблюдения на Луне скоро позволят нам составить представление о постоянстве излучения солнечной энергии. Однако, по-видимому, пройдет много времени, прежде чем удастся установить природу долговременных циклов. В настоящее время вопрос о постоянстве солнечного излучения не может быть решен. Поэтому, если нельзя объяснить долговременные колебания никакими другими причинами, всегда можно сослаться на изменчивость Солнца. Тем не менее все же рассмотрим, могут ли климатические изменения быть результатом процессов, развивающихся в приземном слое. Атмосфера. Энергия, поступающая от Солнца, взаимодействует с атмосферой, однако атмосфера очень неустойчива. Погода меняется ежедневно, и метеорологи не в состоянии предсказать погоду с заблаговременностью больше чем на несколько дней. Содержащаяся в атмосфере вода обновляется примерно в течение недели вследствие влагообмена с океаном. Количество водяных паров в атмосфере эквивалентно слою воды толщиной 10 м, тогда как их теплоемкость соответствует слою воды толщиной только 2,4 м. Таким образом, поскольку атмосфера подвержена ежедневным погодным изменениям, инерция атмосферных процессов недостаточна для объяснения долговременных климатических изменений. Интересное подтверждение этих соображений было получено Минцем (1968). Он моделировал атмосферные процессы, рассчитывая на большой электронно-вычислительной машине уравнения движения атмосферы. За исходный момент расчета Минц принял атмосферу, находящуюся в состоянии покоя, затем были введены изменения поступающей солнечной энергии в зависимости от широты и приведена в действие модель атмосферы. Спустя примерно месяц модель показала погоду обычного типа. В этот короткий отрезок времени модель атмосферы полностью «забыла» свое статическое прошлое. Время тепловой инерции атмосферы значительно короче годового цикла. Поэтому причины климггических изменений следует искать в чем-то ином. Химический состав атмосферы в течение длительного времени не меняется. Прозрачность атмосферы для инфракрасной радиации зависит от концентрации в ней углекислого газа. Даже в тех случаях, когда содержание СО2 в атмосфере изменяется только на 0,03%, это оказывает большое влияние на тепловой баланс. Если подсчитать температуру Земли при условии полного отсутствия СО2 в атмосфере, то окажется, что стало бы холоднее на 10° С. В действительности похолодание было бы значительно больше, поскольку изменение температуры воздуха привело бы к уменьшению содержащейся в атмосфере воды, что в свою очередь привело бы к еще большему понижению температуры. Таким образом, незначительные изменения концентрации СО2 в атмосфере могут существенно влиять на климат. С 1890 по 1940 г. средняя для всего земного шара температура воздуха возросла приблизительно на 0,5° С. Естественно, можно предположить, что это увеличение является результатом роста концентрации СО2 в атмосфере вследствие сжигания ископаемого топлива. Поскольку количество сжигаемых продуктов непрерывно растет, можно было бы ожидать тенденцию ко все убыстряющемуся возрастанию температуры. Вместо этого климатические данные показывают, что в 1940 г. во всем мире наблюдается тенденция к понижению температуры воздуха. Следовательно, хотя содержание углекислого газа в атмосфере, несомненно, играет роль, оно все же не является единственной причиной существующих колебаний климата. Земная поверхность. Энергия, поступающая от Солнца, после того как она пройдет через атмосферу, достигает земной и океанической поверхности. В главе 6 показано, что над материками сезонные изменения температуры много больше, чем над океанами. Морская вода отличается значительно более высокой теплоемкостью, чем суша, и поэтому над океаном годовые колебания температуры сглаживаются. Зимнее перемешивание вод охватывает толщу до глубины около 100 м, так что теплозапас поверхностного слоя вод океана в 40 раз больше теплозапаса в атмосфере. Годовой цикл температуры поверхностных вод океана, однако, показывает, что продолжительность температурной инерции океана менее года. Поскольку годовые изменения температуры на суше значительно больше, их инерция должна быть меньше. То что суша может оказывать долговременные воздействия, можно иллюстрировать на примере Гренландии. Ледяной купол значительно увеличивает высоту поднятия суши над уровнем моря, соответственно усиливается охлаждение, связанное с высотой, кроме того, лед является хорошим отражателем солнечной радиации. Оба эти эффекта приводят к поверхностному охлаждению. Таким образом, присутствие льда понижает температуру поверхности, что в свою очередь способствует сохранению льда. Если бы с помощью гигантского бульдозера убрать лед, покрывающий Гренландию, и тем самым уменьшить ее высоту, то обнаженный грунт поглощал бы значительно больше солнечной радиации. В результате температура поверхности Гренландии поднялась бы достаточно высоко, чтобы предотвратить восстановление постоянного ледяного покрова. Существующий в наши дни ледяной купол Гренландии является реликтом последнего оледенения. Морской лед, хотя таяние его и не поднимет уровень моря на сколько-нибудь значительную высоту, также является эффективным отражателем солнечной радиации, тогда как морская вода хорошо поглощает солнечную радиацию. Если бы удалось растопить весь лед Северного Ледовитого океана, то возросшее поглощение солнечной радиации, возможно, могло бы предотвратить новое ледообразование. Таким образом, климат в известной мере предопределяется историей и имеет тенденции, противодействующие изменениям. Район оледенения стремится сохранить ледяной покров, тогда как свободная ото льда поверхность, поглощающая больше солнечной энергии, имеет тенденцию остаться теплой.
Большая часть этих различий является результатом более высокой солености Атлантического океана. Сравнительно низкая соленость поверхностных вод Тихого океана ограничивает глубину распространения конвекции и поэтому облегчает ледообразование на морях, тогда как монотонная вертикальная структура солености в восточной части Северной Атлантики определяет развитие конвективного перемешивания до дна, и как следствие этого моря не замерзают. Что бы случилось, если бы соленость поверхностных вод Северной Атлантики была бы такой же низкой, как в Тихом океане? В этом случае можно было бы ожидать, что лед будет распространяться к югу так же далеко, как и в Тихом океане, т. е. до 60° с. ш. Это означает, что северное побережье Великобритании было бы блокировано льдом. Распределение морского льда в этом случае было бы симметричным относительно Северного полюса. Распространение морских льдов дальше на юг вызвало бы похолодание воздуха в Северной Европе до температур, подобных наблюдаемым на Аляске. Одновременно система высокого давления в приполюсном районе стала бы более симметричной, а барическая депрессия сместилась бы от Исландии далеко на юг. Результирующие изменения ветров преобразовали бы поверхностные течения Северной Атлантики в циркуляционную систему, подобную той, которая наблюдается в Тихом океане. Вместо теплых соленых вод, текущих на север вдоль побережья Скандинавии, образовался бы североатлантический субарктический круговорот. Этот круговорот исключил бы подток теплых и соленых субтропических вод к кромке льдов. Превышение осадков над испарением привело бы к распреснению поверхностных вод на севере и в конечном счете к сохранению морских льдов. В результате распреснения поверхностных вод Северной Атлантики соленость их стала бы сравнительно низкой и морской лед сохранялся бы устойчиво. Обращает на себя внимание максимальное развитие ледяного щита преимущественно в Северной Атлантике, тогда как в северной части Тихого океана в период оледенения ситуация была значительно ближе к современным условиям. Не будет необоснованным предположение, что охлаждение вод Северной Атлантики благодаря нарастающему распространению морского льда могло привести к образованию ледяного щита. Приведенная гипотетическая реконструкция является частью научной версии. Если бы с помощью волшебства удалось превратить Атлантический океан в подобие Тихого, вероятно, наступил бы новый ледниковый период. Чтобы установить, насколько вероятна подобная трансформация, необходимо установить современные различия между Атлантикой и Тихим океаном. Если эта разница является следствием различия географической структуры, то предлагаемая реконструкция не имеет научного основания, поскольку со времени последней ледниковой эпохи географические изменения были очень невелики. С другой стороны, эти различия могут оказаться следствием небольших, но устойчиво сохраняющихся изменений в циркуляции атмосферы. Различия между Северной Атлантикой и северной частью Тихого океана связаны с разницей солености их поверхностных вод. Если бы можно было уменьшить соленость поверхностных вод Северной Атлантики, то это позволило бы установить, насколько справедлива гипотеза об условиях оледенения. Предлагаемое уменьшение солености могло бы быть следствием уменьшения переноса водяных паров из Атлантики в Тихий океан. В зимний период пассатные ветры переносят большое количество водяных паров через Панамский перешеек. Летом, когда ветры отклоняются в более северном направлении, воздушные потоки наталкиваются на становой хребет Американского материка — Кордильеры — и выпадающие осадки стекают обратно в Атлантику. Если атмосферная циркуляция в регионе Карибского моря будет подобна летней в течение более длительного времени, соленость вод Атлантики будет постепенно уменьшаться. Если бы перенос водных паров воздушными потоками через Панамский перешеек был блокирован в течение 600 лет, то при неизменном сохранении всех остальных условий соленость вод Атлантического океана стала бы равной солености вод Тихого океана. Такие перемены в атмосферной циркуляции могут быть следствием, на первый взгляд, незначительных колебаний инсоляции, вызываемых долговременными циклами изменений геометрии солнечно-земной системы. Так, сравнительно небольшие изменения атмосферной циркуляции, если они достаточно устойчиво сохраняются, могут вызвать преобразование общей циркуляции вод океана и как следствие крупномасштабные климатические изменения. Реконструкцию гидрологического режима океана в ледниковую эпоху можно произвести, изучая распределение останков морских организмов в донных отложениях глубоководных районов. Если предполагаемые изменения имели место, то в восточной части Северной Атлантики к северу от параллели 40° с. должны наблюдаться резкие изменения в составе отложений, тогда как для северной части Тихого океана должна быть характерна относительная стабильность. Имеющиеся данные подтверждают изложенную гипотезу, однако предстоит еще многое сделать, чтобы неоспоримо и более комплексно утвердить рассмотренную ситуацию. В течение первой половины двадцатого столетия для всего земного шара было составлено представление о среднем многолетнем климате. Однако известны доказательства существенных изменений климатических условий, в частности Северной Атлантики, по меньшей мере с 900-х годов нашей эры. С момента появления человека на Земле наибольшие климатические изменения имели место в ледниковой эпохе четвертичного периода. Климатические изменения могут быть результатом гелиообусловленных преобразований атмосферной циркуляции. Вариации циркуляции океанических вод могут быть вызваны сравнительно небольшими долговременными изменениями среднего состояния атмосферы. В свою очередь, преобразования в океане способны вызывать как кратковременные климатические флуктуации, так и общее изменение климата на протяжении четвертичного периода. Необходимо многое узнать об океане, его взаимодействии с атмосферой и о развитии жизни на Земле. Такие сведения представляют существенную важность, если мы хотим пред. видеть будущую эволюцию окружающей нас среды. Вероятно, такое понимание позволило бы человечеству жить в большей гармонии с природой и в перспективе открыло бы возможность регулировать климат. В прошлые периоды оледенения люди отступали перед распространявшимися ледниками. После таяния ледников и установления современного уровня моря развитие цивилизации определило орошаемое сельское хозяйство. В наши дни, 6000 лет спустя, человечество может отравить среду, в которой оно обитает. Допустим, что это не случится. Но можем ли мы предотвратить следующий ледниковый период?
Очень часто приходится слышать, что погода не та, что должна была бы быть. Наши представления о погоде субъективны, поэтому, чтобы понять направленность климатических изменений, нельзя воспользоваться голосованием. В течение современной эпохи во всем мире службами погоды собрано огромное количество данных. Изучение этих данных показывает, что изменение средних значений удивительно мало. Анализируя изменения средних годовых температур двух тридцатилетних периодов, Митчелл (1963) установил, что между параллелями 60° ю. и 60° с. изменение температуры воздуха от 1890—1919 к 1920—1949 гг. составило 0,22 ±0,04° С. Такое изменение можно признать значительным, и все же оно не может быть установлено без специального изучения данных. Однако в более ограниченных районах климатические изменения могут проявляться много ярче. Например, между 1962 и 1965 гг. северо-восточная часть США подвергалась необычной засухе, имевшей тяжелые экономические последствия. Метеорология до сих пор не имеет достаточно надежного метода для предсказания долговременных изменений погоды с большой заблаговременностью. Климатические изменения в течение последних 1000 лет в пределах северной части Атлантического океана оказали существенное влияние на мировую историю. Несмотря на то что для этого периода данные инструментальных наблюдений отсутствуют, представляется возможным получить объективную картину климатических особенностей этого периода по древним историческим документам. В частности, в Исландии, где близость льда к побережью является наглядным показателем межгодовых особенностей климатических вариаций, дневники фермеров с древнейших времен содержат записи о наличии льда у побережья. На основании выборок из таких дневников Кох (1945) составил обзор изменений ледовых условий у берегов Исландии начиная с 860 г. нашей эры, т. е. 10 лет спустя после открытия этого острова скандинавами. До конца XII в. ледовые условия были сравнительно благоприятными, и когда в 981 г. Эйрик Рыжий был изгнан из Исландии, он отплыл на запад и колонизовал Гренландию. Его сын Лейв Эйриксон в конце X в. достиг восточного побережья Северной Америки. На протяжении XIII—XIV вв. ледовые условия становятся более трудными, льды блокировали судоходные трассы между Исландией и Гренландией. Похолодание и ухудшение ледовых условий помогли эскимосам вытеснить из Гренландии большинство скандинавских поселений. В результате викинги не заселили Северную Америку. В XV—XVI вв. происходило потепление климата, однако к этому времени эскимосы овладели Гренландией, а к началу XVI в. опустели последние поселения викингов в Гренландии. В течение следующих трех столетий происходило быстрое ухудшение климата. Эскимосские поселения в Гренландии оказались изолированными, и восточное побережье Гренландии стало необитаемым. Сельское хозяйство в Исландии пришло в упадок настолько, что рассматривалась возможность переселения исландцев в Европу. К началу XX в. климатические условия смягчились и датчанам удалось организовать вдоль большей части гренландского побережья административные центры. Лэмб (1964) провел исследование древних записей о теплых и суровых зимах в европейских странах. Используя такую информацию, как даты замерзания и очищения ото льда рек и озер, Лэмб установил типы суровости зим. Пример его классификации приведен на рис. 29.3. Верхняя кривая показывает климатические изменения в регионе Лондон — Париж, а нижняя— в районе Киева (50° с.ш., 30° в.д.). Затем началось похолодание — этот период часто называют периодом малого оледенения. Это похолодание закончилось в конце XIX в. Хотя основные черты крупномасштабных климатических изменений в различных районах Западной Европы были сходны между собой, в различных местах они проявлялись неодновременно. Следовательно, происходило не одновременное изменение климата всего полушария, а скорее комплекс взаимообусловленных изменений. Наибольшее влияние на человечество оказали климатические изменения, происходившие при оледенении четвертичного периода. Наступание и отступание материкового ледяного щита в Северной Америке и на северо-западе Евразии вызвали изменение уровня моря на 100 м. Сведений о последовательности смены ледниковых и межледниковых периодов нет, поэтому вполне возможен новый ледниковый период в течение последующих 10000 лет. Если до этого времени человечество не погубит себя атомной войной или вследствие отравления отходами производства, то вполне реален вопрос: «Сможем ли мы изучить среду, в которой обитаем, настолько, чтобы предвидеть и, может быть, регулировать наступление следующего оледенения?» Надо полагать, что если мы переживем холодную войну, то наши потомки смогут подготовиться к войне с холодом.
Океан и изменения климата
Причины климатических изменений
Солнце. На основании изложенного можно видеть, что климат подвержен значительным изменениям. Теперь попытаемся разобраться в причинах климатических изменений и, в частности, в той роли, которую океан может играть в регулировании климата. Начнем с первоисточника энергии — Солнца. В главе 5 мы убедились, что движение Земли определяет сезонные вариации количества получаемой ею солнечной радиации. Помимо очевидных годовых циклов, существуют также менее заметные долговременные циклы, которые являются результатами вариаций эллиптичности земной орбиты (92 тысячи лет), изменений главной оси земной орбиты (21 тысяча лет) и колебаний наклона земной оси в плоскости ее орбиты (40 тысяч лет). Суммарный эффект этих циклов невелик. Миланкович (1938) рассчитал, что вариации в инсоляции, которая попадает на параллель 65° с, равносильны смещению широты на 5°. Следует заметить, однако, что периодичность этих вариаций такого же порядка, как и у гляциологических циклов. Если поверхность нашей планеты так чувствительна к этим слабым воздействиям, то влияние астрономических вариаций может быть весьма значительным. Произведенные Миланковичем расчеты вариаций приходящей солнечной радиации основывались только на геометрических изменениях взаимоположения Солнца и Земли и исходили из допущения постоянства энергии, излучаемой Солнцем. Известно, что энергия, излучаемая Солнцем, подвержена флуктуациям, например количество солнечных пятен меняется с 11-летней периодичностью. К сожалению, мы еще не имеем инструментальных данных, показывающих, насколько постоянна общая энергия, излучаемая Солнцем. Измерения, выполняемые на земной поверхности, определяют только количество солнечной энергии, которая прошла через атмосферу. Для изучения истинных вариаций излучения солнечной энергии необходимы длительные наблюдения вне атмосферы. Есть основания надеяться, что данные наблюдений со спутников или актинометрические наблюдения на Луне скоро позволят нам составить представление о постоянстве излучения солнечной энергии. Однако, по-видимому, пройдет много времени, прежде чем удастся установить природу долговременных циклов. В настоящее время вопрос о постоянстве солнечного излучения не может быть решен. Поэтому, если нельзя объяснить долговременные колебания никакими другими причинами, всегда можно сослаться на изменчивость Солнца. Тем не менее все же рассмотрим, могут ли климатические изменения быть результатом процессов, развивающихся в приземном слое. Атмосфера. Энергия, поступающая от Солнца, взаимодействует с атмосферой, однако атмосфера очень неустойчива. Погода меняется ежедневно, и метеорологи не в состоянии предсказать погоду с заблаговременностью больше чем на несколько дней. Содержащаяся в атмосфере вода обновляется примерно в течение недели вследствие влагообмена с океаном. Количество водяных паров в атмосфере эквивалентно слою воды толщиной 10 м, тогда как их теплоемкость соответствует слою воды толщиной только 2,4 м. Таким образом, поскольку атмосфера подвержена ежедневным погодным изменениям, инерция атмосферных процессов недостаточна для объяснения долговременных климатических изменений. Интересное подтверждение этих соображений было получено Минцем (1968). Он моделировал атмосферные процессы, рассчитывая на большой электронно-вычислительной машине уравнения движения атмосферы. За исходный момент расчета Минц принял атмосферу, находящуюся в состоянии покоя, затем были введены изменения поступающей солнечной энергии в зависимости от широты и приведена в действие модель атмосферы. Спустя примерно месяц модель показала погоду обычного типа. В этот короткий отрезок времени модель атмосферы полностью «забыла» свое статическое прошлое. Время тепловой инерции атмосферы значительно короче годового цикла. Поэтому причины климггических изменений следует искать в чем-то ином. Химический состав атмосферы в течение длительного времени не меняется. Прозрачность атмосферы для инфракрасной радиации зависит от концентрации в ней углекислого газа. Даже в тех случаях, когда содержание СО2 в атмосфере изменяется только на 0,03%, это оказывает большое влияние на тепловой баланс. Если подсчитать температуру Земли при условии полного отсутствия СО2 в атмосфере, то окажется, что стало бы холоднее на 10° С. В действительности похолодание было бы значительно больше, поскольку изменение температуры воздуха привело бы к уменьшению содержащейся в атмосфере воды, что в свою очередь привело бы к еще большему понижению температуры. Таким образом, незначительные изменения концентрации СО2 в атмосфере могут существенно влиять на климат. С 1890 по 1940 г. средняя для всего земного шара температура воздуха возросла приблизительно на 0,5° С. Естественно, можно предположить, что это увеличение является результатом роста концентрации СО2 в атмосфере вследствие сжигания ископаемого топлива. Поскольку количество сжигаемых продуктов непрерывно растет, можно было бы ожидать тенденцию ко все убыстряющемуся возрастанию температуры. Вместо этого климатические данные показывают, что в 1940 г. во всем мире наблюдается тенденция к понижению температуры воздуха. Следовательно, хотя содержание углекислого газа в атмосфере, несомненно, играет роль, оно все же не является единственной причиной существующих колебаний климата. Земная поверхность. Энергия, поступающая от Солнца, после того как она пройдет через атмосферу, достигает земной и океанической поверхности. В главе 6 показано, что над материками сезонные изменения температуры много больше, чем над океанами. Морская вода отличается значительно более высокой теплоемкостью, чем суша, и поэтому над океаном годовые колебания температуры сглаживаются. Зимнее перемешивание вод охватывает толщу до глубины около 100 м, так что теплозапас поверхностного слоя вод океана в 40 раз больше теплозапаса в атмосфере. Годовой цикл температуры поверхностных вод океана, однако, показывает, что продолжительность температурной инерции океана менее года. Поскольку годовые изменения температуры на суше значительно больше, их инерция должна быть меньше. То что суша может оказывать долговременные воздействия, можно иллюстрировать на примере Гренландии. Ледяной купол значительно увеличивает высоту поднятия суши над уровнем моря, соответственно усиливается охлаждение, связанное с высотой, кроме того, лед является хорошим отражателем солнечной радиации. Оба эти эффекта приводят к поверхностному охлаждению. Таким образом, присутствие льда понижает температуру поверхности, что в свою очередь способствует сохранению льда. Если бы с помощью гигантского бульдозера убрать лед, покрывающий Гренландию, и тем самым уменьшить ее высоту, то обнаженный грунт поглощал бы значительно больше солнечной радиации. В результате температура поверхности Гренландии поднялась бы достаточно высоко, чтобы предотвратить восстановление постоянного ледяного покрова. Существующий в наши дни ледяной купол Гренландии является реликтом последнего оледенения. Морской лед, хотя таяние его и не поднимет уровень моря на сколько-нибудь значительную высоту, также является эффективным отражателем солнечной радиации, тогда как морская вода хорошо поглощает солнечную радиацию. Если бы удалось растопить весь лед Северного Ледовитого океана, то возросшее поглощение солнечной радиации, возможно, могло бы предотвратить новое ледообразование. Таким образом, климат в известной мере предопределяется историей и имеет тенденции, противодействующие изменениям. Район оледенения стремится сохранить ледяной покров, тогда как свободная ото льда поверхность, поглощающая больше солнечной энергии, имеет тенденцию остаться теплой.
Теория ледниковых эпох
Большая часть этих различий является результатом более высокой солености Атлантического океана. Сравнительно низкая соленость поверхностных вод Тихого океана ограничивает глубину распространения конвекции и поэтому облегчает ледообразование на морях, тогда как монотонная вертикальная структура солености в восточной части Северной Атлантики определяет развитие конвективного перемешивания до дна, и как следствие этого моря не замерзают. Что бы случилось, если бы соленость поверхностных вод Северной Атлантики была бы такой же низкой, как в Тихом океане? В этом случае можно было бы ожидать, что лед будет распространяться к югу так же далеко, как и в Тихом океане, т. е. до 60° с. ш. Это означает, что северное побережье Великобритании было бы блокировано льдом. Распределение морского льда в этом случае было бы симметричным относительно Северного полюса. Распространение морских льдов дальше на юг вызвало бы похолодание воздуха в Северной Европе до температур, подобных наблюдаемым на Аляске. Одновременно система высокого давления в приполюсном районе стала бы более симметричной, а барическая депрессия сместилась бы от Исландии далеко на юг. Результирующие изменения ветров преобразовали бы поверхностные течения Северной Атлантики в циркуляционную систему, подобную той, которая наблюдается в Тихом океане. Вместо теплых соленых вод, текущих на север вдоль побережья Скандинавии, образовался бы североатлантический субарктический круговорот. Этот круговорот исключил бы подток теплых и соленых субтропических вод к кромке льдов. Превышение осадков над испарением привело бы к распреснению поверхностных вод на севере и в конечном счете к сохранению морских льдов. В результате распреснения поверхностных вод Северной Атлантики соленость их стала бы сравнительно низкой и морской лед сохранялся бы устойчиво. Обращает на себя внимание максимальное развитие ледяного щита преимущественно в Северной Атлантике, тогда как в северной части Тихого океана в период оледенения ситуация была значительно ближе к современным условиям. Не будет необоснованным предположение, что охлаждение вод Северной Атлантики благодаря нарастающему распространению морского льда могло привести к образованию ледяного щита. Приведенная гипотетическая реконструкция является частью научной версии. Если бы с помощью волшебства удалось превратить Атлантический океан в подобие Тихого, вероятно, наступил бы новый ледниковый период. Чтобы установить, насколько вероятна подобная трансформация, необходимо установить современные различия между Атлантикой и Тихим океаном. Если эта разница является следствием различия географической структуры, то предлагаемая реконструкция не имеет научного основания, поскольку со времени последней ледниковой эпохи географические изменения были очень невелики. С другой стороны, эти различия могут оказаться следствием небольших, но устойчиво сохраняющихся изменений в циркуляции атмосферы. Различия между Северной Атлантикой и северной частью Тихого океана связаны с разницей солености их поверхностных вод. Если бы можно было уменьшить соленость поверхностных вод Северной Атлантики, то это позволило бы установить, насколько справедлива гипотеза об условиях оледенения. Предлагаемое уменьшение солености могло бы быть следствием уменьшения переноса водяных паров из Атлантики в Тихий океан. В зимний период пассатные ветры переносят большое количество водяных паров через Панамский перешеек. Летом, когда ветры отклоняются в более северном направлении, воздушные потоки наталкиваются на становой хребет Американского материка — Кордильеры — и выпадающие осадки стекают обратно в Атлантику. Если атмосферная циркуляция в регионе Карибского моря будет подобна летней в течение более длительного времени, соленость вод Атлантики будет постепенно уменьшаться. Если бы перенос водных паров воздушными потоками через Панамский перешеек был блокирован в течение 600 лет, то при неизменном сохранении всех остальных условий соленость вод Атлантического океана стала бы равной солености вод Тихого океана. Такие перемены в атмосферной циркуляции могут быть следствием, на первый взгляд, незначительных колебаний инсоляции, вызываемых долговременными циклами изменений геометрии солнечно-земной системы. Так, сравнительно небольшие изменения атмосферной циркуляции, если они достаточно устойчиво сохраняются, могут вызвать преобразование общей циркуляции вод океана и как следствие крупномасштабные климатические изменения. Реконструкцию гидрологического режима океана в ледниковую эпоху можно произвести, изучая распределение останков морских организмов в донных отложениях глубоководных районов. Если предполагаемые изменения имели место, то в восточной части Северной Атлантики к северу от параллели 40° с. должны наблюдаться резкие изменения в составе отложений, тогда как для северной части Тихого океана должна быть характерна относительная стабильность. Имеющиеся данные подтверждают изложенную гипотезу, однако предстоит еще многое сделать, чтобы неоспоримо и более комплексно утвердить рассмотренную ситуацию. В течение первой половины двадцатого столетия для всего земного шара было составлено представление о среднем многолетнем климате. Однако известны доказательства существенных изменений климатических условий, в частности Северной Атлантики, по меньшей мере с 900-х годов нашей эры. С момента появления человека на Земле наибольшие климатические изменения имели место в ледниковой эпохе четвертичного периода. Климатические изменения могут быть результатом гелиообусловленных преобразований атмосферной циркуляции. Вариации циркуляции океанических вод могут быть вызваны сравнительно небольшими долговременными изменениями среднего состояния атмосферы. В свою очередь, преобразования в океане способны вызывать как кратковременные климатические флуктуации, так и общее изменение климата на протяжении четвертичного периода. Необходимо многое узнать об океане, его взаимодействии с атмосферой и о развитии жизни на Земле. Такие сведения представляют существенную важность, если мы хотим пред. видеть будущую эволюцию окружающей нас среды. Вероятно, такое понимание позволило бы человечеству жить в большей гармонии с природой и в перспективе открыло бы возможность регулировать климат. В прошлые периоды оледенения люди отступали перед распространявшимися ледниками. После таяния ледников и установления современного уровня моря развитие цивилизации определило орошаемое сельское хозяйство. В наши дни, 6000 лет спустя, человечество может отравить среду, в которой оно обитает. Допустим, что это не случится. Но можем ли мы предотвратить следующий ледниковый период?
