Андрес Кууск: энергия и климат ({{contentCtrl.commentsTotal}})

Автор: Timo Palo/ERR

Средняя температуры планеты, т.е. потепление или похолодание климата, зависит от количества парниковых газов и средней способности планеты отражать солнечные лучи, пишет доктор геофизики Андрес Кууск в комментарии к взаимосвязи энергии и климата, опубликованном в журнале Sirp.

В журнале Sirp за последнее время было опубликовано несколько статей на тему климата и его изменения. Например, подробный обзор Пийи Пост 17 июля о том, что такое этот меняющийся климат и что такое климатическая система. Европейский союз планирует меры по предотвращению антропогенного изменения климата.

Одновременно как среди лидеров мнений, так и в мировой политике есть те, кто верит, что климат на Земле определяется исключительно астрономическими параметрами (солнечное излучение, орбита Земли и наклон ее оси вращения), а деятельность человека не в состоянии изменить климат, и все меры по предотвращению такого изменения осуществляются в чьих-то деловых интересах.

Попробуем внести немного ясности, кто из них прав. Рядом с Землей есть небесное тело, которое хорошо подходит для сравнения - Луна. Она находится на таком же удалении от Солнца, но по ряду параметров отличается от Земли и не подвержена влиянию деятельности человека. Сравнение Земли и Луны также поможет понять климат на нашей планете.

Деятельность человека и климат

Деятельность человека меняет климат на планете. Это утверждение - не вопрос веры; оно основано на законах физики. Хотя физические законы, которые формируют климат на планете, отнюдь не тривиальны, разобраться в них все-таки можно. В статье Пийи Пост дается узкое и широкое определение климата.

Мы больше думаем о климате в узком смысле слова: средняя погода и ее статистическое описание через погодные параметры (температура, осадки, ветер и т.п.). Поэтому мы знаем, что существует континентальный и морской, тропический, субтропический и арктический климат. Самый важный параметр климата на планете - это температура. Для человека это, понятное дело, температура поверхности планеты и близких к поверхности слоев атмосферы.

От температуры прямо или косвенно зависит вся климатическая система. Диапазон температур, пригодных для жизни человека, очень узкий. И на Земле есть регионы, где температура слишком низкая или высокая для жизни. Ни на ледово-снежных просторах Антарктики, ни в пустынях нет лесов, лугов и плодородных полей. Изменение средней температуры планеты формирует географическое распределение и удельный вес зон с пригодной для жизни температурой.

Осенью прошлого года я писал в Sirp о роли энергии, ресурсах и потреблении в человеческом обществе. К сожалению, в ту статью вкралась и одна вводящая в заблуждение ошибка. Энергетическая ценность сухой древесины - 20 МДж/кг, а не 0,2 МДж/кг, как я тогда написал. Так коэффициент полезного действия леса в качестве аккумулятора энергии составлял бы около 0,1%. Однако эта ошибка не меняет сделанный тогда вывод, что фотосинтез как аккумулятор энергии не в состоянии заменить ископаемые виды топлива.

Посмотрим теперь на энергобаланс всей планеты и сравним Землю и Луну, одинаково облучаемые Солнцем. Земля и Луна находятся в вакууме. Небесное тело в вакууме получает и теряет энергию только путем электромагнитного излучения. Почти вся энергия, получаемая Землей и Луной - это энергия солнечного излучения. Это тепловое излучение Солнца, но поскольку температура Солнца очень высокая, то большая часть энергии его излучения - это видимый свет и коротковолновое инфракрасное излучение.

Количество энергии, получаемой расположенной перпендикулярно Солнцу поверхностью, составляет 1360 Вт/м2. Поток прочих космических частиц с точки зрения суммарной энергии очень маленький по сравнению с электромагнитным излучением Солнца.

Астрономы знают, что Солнце - очень стабильная звезда. На протяжении нескольких миллионов лет энергия ее излучения менялась очень мало. За 11-летний цикл солнечной активности излучение меняется лишь в пределах 0,1%.

У поглощающего солнечное излучение небесного тела повышается температура. По мере повышения этой температуры небесное тело начинает излучать в вакуум больше тепловой энергии, поэтому его температура понижается. Температура, при которой количество теряемой в виде теплового излучения энергии равно количеству поглощаемой энергии от поступающего излучения, является равновесной температурой.

Эту равновесная температура может измениться, если изменится количество улавливаемого солнечного излучения (изменится отражающая способность небесного тела) или поток уходящей в виде теплового излучения энергии, зависящей от температуры небесного тела.

Если бы на орбите Земли был черный шар, поглощающий все поступающее солнечное излучение, и снежный шар, отражающий 90% такого излучения обратно в вакуум, то температура черного шара была бы +5 градусов по шкале Цельсия, а снежного шара - минус 117 градусов.

Глядя со стороны Солнца, Земля представляет из себя диск площадью 1,275 × 1014 м2, который перехватывает поток излучения 1,7 × 1017 Вт. Из этого в вакуум отражается немногим более 30%, а океаны, земная поверхность и атмосфера поглощают 3,8 × 1024 Дж энергии излучения в год.

Количество использованного в 2018 году человечеством ископаемого топлива составило 11,7 × 109 TOE. Его сжигание дало за год 12 × 1018 Дж тепловой энергии. TOE это тонна нефтяного эквивалента, при сжигании которой выделяется 42 ГДж энергии (42 × 109 Дж). Количество тепловой энергии, полученной при сжигании ископаемых видов топлива, было в 300 000 раз меньше, чем от солнечного излучения, т.е. сжиганием ископаемого топлива мы планету не разогреем. Однако именно сжигание такого топлива повышает температуру поверхности Земли и расположенных близко к ней слоев атмосферы, потому что это прямо влияет на энергообмен планеты и вакуума.

Луна и парниковые газы

Луна намного темнее Земли и отражает в вакуум всего 11% поступающего солнечного излучения. Равновесная температура поверхности Луны - минус 3 градуса по Цельсию. Луна поглощает в 1,3 раза больше солнечного излучения на квадратный метр, чем Земля, но на Земле в среднем на 20 градусов теплее, чем на Луне.

Причина в том, что Земля окружена атмосферой, которая обладает высокой прозрачностью для солнечного излучения в коротковолновом спектре (видимое и коротковолновое инфракрасное излучение). Значительная часть коротковолнового солнечного излучения проникает через атмосферу как при ясном небе, так и при тонких (слоистых) облаках и частичной облачности (кучевые облака в хорошую погоду).

Океаны, земная поверхность, облака, газы и аэрозоли в атмосфере отражают обратно в вакуум немногим более 30% поступающего солнечного излучения. Остальное согревает земную поверхность и океаны, которые излучают в вакуум тепловую энергию в зависимости от своей температуры. Если бы атмосфера Земли пропускала тепловое излучение так же хорошо, как коротковолновое солнечное излучение, то средняя равновесная температура поверхности планеты была бы -20 по Цельсию, т.е. на 35 градусов ниже, чем сейчас.

В атмосфере присутствуют т.н. парниковые газы, которые поглощают невидимое глазом тепловое излучение и, в свою очередь, отражают идущее от поверхности тепловое излучение обратно на поверхность планеты.

По этой причине температура у поверхности выше, чем равновесная температура планеты. Более 6000 работающих метеорологических станций показывают среднюю температуру поверхности планеты на уровне +15 градусов по Цельсию. Равновесная температура Земли (-20 градусов) наблюдается в атмосфере на высоте пяти километров над поверхностью. Половина массы атмосферы находится ниже этого уровня, и ее температура выше равновесной температуры планеты.

Четыре основных парниковых газа в атмосфере Земли это водяной пар, углекислый газ, метан и озон. Оценки роли, которую эти газы играют в парниковом эффекте, имеют высокую неопределенность по двум причинам. Спектры поглощения этих газов (волновой диапазон, в котором излучение поглощается) частично перекрываются, а их концентрация в атмосфере существенно варьируется в зависимости как от конкретного места, так и от времени года.

Парниковый эффект на 36-70% создается водяным паром, на 9-26% - углекислым газом, на 4-9% - метаном и на 3-7% - озоном. Воды на Земле много, но ее нельзя просто так добавить в атмосферу - она выпадет обратно в виде дождя. Количество водяного пара в атмосфере зависит только от ее средней температуры. Деятельность человека может влиять на это только косвенно, когда человек своими действиями меняет температуру атмосферы. Однако деятельность человека прямо влияет на количество углекислого газа и, в определенной степени, метана в атмосфере.

Сжигая ископаемые виды топлива, человечество в индустриальную эпоху выбросило в атмосферу примерно в четыре раза больше углекислого газа, чем присутствует в атмосфере сейчас. Важным источником добавления углекислого газа в атмосферу стало и производство цемента. Не весь выброшенный в атмосферу углекислый газ в ней остается. Часть поглощается океанами, а часть связывается растениями в процессе фотосинтеза как на суше, так и в океанах.

Большая часть углекислого газа, связанного растениями на суше, рано или поздно возвращается в атмосферу, но растворенный и связанный фотосинтезом углекислый газ в океанах осаждается на дно. И все же содержание углекислого газа в атмосфере за последние двести лет увеличилось с 280 ppm (уровень после ледникового периода) до 400 ppm (ppm - частей на миллион; 400 ppm = 0,04%). Концентрация углекислого газа в атмосфере сейчас самая высокая за последние 14 миллионов лет.

Изменение отражающей способности планеты

Присутствие парникового эффекта и его сила - не единственный фактор, который влияет на среднюю температуру планеты в целом и зоны у ее поверхности. На энергетический баланс Земли влияет и изменение среднего отражающего фактора. Отражающая способность (альбедо) планеты формируется соотношением площади суши и океанов, размером облачности и снежно-ледового покрова, рельефом, наличием и плотностью растительного покрова, количеством пыли в атмосфере.

Эти два фактора - объем парниковых газов и средняя отражающая способность планеты (суши, моря и атмосферы), - формируют среднюю температуру планеты, т.е. потепление или охлаждение климата.

Климат Земли создается в океанах, на суше и в атмосфере. Эти три компонента могут меняться и в действительности меняются намного быстрее и существеннее, чем астрономические параметры - энергия солнечного излучения, орбита Земли и наклон ее оси. Если бы Земля была однородным шаром с оптической и тепловой точки зрения, то изменения в угле наклона оси вращения вообще не влияли бы на среднюю температуру планеты. Скорость вращения влияет.

Лунные сутки равны по продолжительности 28 земным суткам. Поскольку сутки на Луне очень длинные, и на ней нет атмосферы и океанов, которые имеют очень высокую теплопоглощающую способность и довольно хорошо транспортируют тепловую энергию, амплитуда колебаний температуры на Луне очень большая. Так, на экваторе Луны температура днем поднимается до +120 по Цельсию, а ночью падает до -170.

Поскольку зависимость теплового излучения от температуры нелинейная и пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени, то все тепловое излучение Луны также сильно отличается от теплового излучения, соответствующего усредненной температуре.

Оптические и тепловые свойства суши, моря и атмосферы меняются геологическими процессами. Эти изменения медленные. За последние двести лет не было большого дрейфа материков или изменений в горных цепях, которые сказались бы на соотношении площади водной поверхности и суши, характере их распределения по поверхности планеты или глобальной циркуляции атмосмеры.

Оптические и тепловые свойства суши, моря и атмосферы может менять и в действительности меняет деятельность человека. Она изменила объем парниковых газов в атмосфере, ее прозрачность для коротковолнового солнечного излучения за счет выбросов в атмосферу дыма, пыли и выхлопных газов, образование облаков в атмосфере из-за выбрасываемых в нее аэрозолей, отражающую способность суши из-за вырубания тропических лесов, опустынивания из-за чрезмерной эксплуатации лугов и загрязнения снежного покрова и ледников промышленной пылью, отражающую способность океанов из-за покрывающего их поверхность мусора, в первую очередь - пластика.

Деятельность человека скорее увеличила, чем уменьшила отражающий фактор планеты и, тем самым, уменьшила поглощение солнечного излучения. Какой из этих двух факторов перевесит другой в энергобалансе Земли, - усиление антропогенного парникового эффекта или увеличение отражающей способности планеты, - лучше всего показывают природные процессы с большой инерцией, т.е. размер полярных зон и ледников, а также ареалы различных видов растений.

Замеры по спутниковым снимкам показывают уменьшение ледового покрова в последние десятилетия как в Северном Ледовитом океане, так и в Антарктике и Гренландии. Таяние льда на суше приводит к повышению уровню Мирового океана. Спутниковые снимки подтверждают, что уровень океанов в последние 20 лет поднимался в среднем на три миллиметра в год, и этот процесс ускоряется.

Площадь морского льда в Арктике постоянно уменьшается на протяжении последних 40 лет, когда делались спутниковые снимки. Граница ареала растений субтропической зоны смещается к северу. Такие изменения в окружающей среде убедительно подтверждают, что рост парникового эффекта доминирует и изменения в альбедо планеты не в состоянии компенсировать потепление, вызываемое этим эффектом. Соответственно, меры по достижению углеродной нейтральности обоснованы.

Замена невозобновляемых ископаемых видов топлива возобновляемой энергией необходима не только для того, чтобы обеспечить энергетическую устойчивость человечества, но и для предотвращения нежелательных изменений в окружающей среде.

Можно ведь подумать и так, что в мире есть места, где слишком холодно для жизни, и по мере потепления климата пригодная для жизни территория расширится и на эти районы. Увы, практика показывает, что подходящие сейчас для жизни зоны становятся для этого непригодными быстрее, чем теплеют зоны, которые раньше были слишком холодными.

В связи с этим быстрое потепление климата сократит размеры пригодной для жизни территории и создаст миграционное давление на территории, которые будут оставаться пригодными для жизни. Человечество сейчас использует очень много сооружений, построенных более ста лет назад. В случае быстрого изменения климата часть из них станут непригодными в новых климатических условиях.

Низколежащие прибрежные зоны густо заселены. Если уровень океана повысится даже на метр, это вынудит сменить место жительства очень большое число людей. Изменения в водоснабжении, вызванные изменением климата, создадут очень большие проблемы в сельском хозяйстве: в одних регионах участятся наводнения, а в других возникнет потребность в (дополнительном) орошении, воды для которого может не хватить. Таким образом, быстрое изменение климата создаст очень большие проблемы для человечества, а отрицать это - все равно что прятать голову в песок.

Изменение глобальной температуры в 1880-2018 гг. Ноль на графике соответствует средней температуре в XX веке. Автор: Steve Cole, Fourth Warmest Year in Continued Warming Trend, According to NASA, NOAA. – The Earth Observer 2019, 31(1), 24.
Площадь арктических льдов зимой и летом. Автор: National Snow and Ice Data Center. Arctic sea ice news & analysis.
Выбросы CO2 в атмосферу в 1850-2008 гг. Автор: Carbon Dioxide Information Analysis Center

Редактор: Андрей Крашевский

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: