ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 80, № 2, с. 114-130
ИЗ РАБОЧЕЙ ТЕТРАДИ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ
Изменение климата проявляется не только вблизи поверхности Земли, но и в значительном диапазоне высот атмосферы. В статье рассматривается ряд важнейших связанных с изменением климата направлений исследований динамических и химических процессов в тропосфере, стратосфере и мезосфере, осуществляемых в России и за рубежом.
ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА И СРЕДНЯЯ АТМОСФЕРА -ВОПРОСОВ ВСЁ БОЛЬШЕ
П.Н. Варгин, В.А. Юшков, С.М. Хайкин, Н.Д. Цветкова, С.В. Кострыкин, Е.М. Володин
В последние 20 лет во многих странах изменение климата стало одной из основных тем специализированной литературы и средств массовой информации. Причиной этого являются не только глобальный характер изменений и их последствий для социально-экономической деятельности, здоровья человека, состояния флоры и фауны, но и сохраняющиеся неопределённости предсказаний в среднесрочной и долгосрочной перспективе.
Опубликованный в 2007 г. 4-й Оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) обобщил последние достижения науки о наблюдаемых и прогнозируемых изменениях климата в различных регионах в течение XXI в., их последствиях, возможностях адаптации и способах снижения антропогенной нагрузки на климатическую систему Земли. В докладе говорится, что наблюдаемое с середины XX в. повышение глобальной средней температуры вызвано увеличением концентраций антропогенных парниковых газов. Обзор выводов, касающихся изменений основных климатических параметров атмосферы и океана и существующих проблем развития российской
ВАРГИН Павел Николаевич — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета (ЦАО). ЮШКОВ Владимир Александрович — кандидат физико-математических наук, заведующий отделением физики высоких слоёв атмосферы ЦАО. ХАЙКИН Сергей Михайлович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ЦАО. ЦВЕТКОВА Наталья Дмитриевна — научный сотрудник ЦАО. КОСТРЫКИН Сергей Владимирович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института вычислительной математики РАН. ВОЛОДИН Евгений Михайлович — доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник института.
климатической науки, представлен в работе [1]. В конце 2008 г. был опубликован Оценочный доклад Росгидромета, содержащий подробный анализ результатов последних исследований, касающихся различных секторов экономики, флоры и фауны, а также здоровья населения России.
Хотя влияние антропогенных выбросов парниковых газов на климатическую систему у большинства учёных не вызывает сомнений, одной из важнейших задач является зависящий от сценариев развития мировой экономики прогноз изменения этих выбросов в ближайшие десятилетия. К другим задачам относится исследование влияния на климат не зависящих от человека естественных факторов, таких как солнечная активность, сильные извержения вулканов, поглощение и эмиссия парниковых газов Мировым океаном и растительностью. Несмотря на значительный прогресс, сохраняются неопределённости в прогнозах увеличения уровня Мирового океана, изменения облачности, режима осадков, сокращения ледникового покрова, изменения растительности, стока рек, таяния льдов, вечной мерзлоты и др.
При всей широте обсуждения проблемы в подавляющем большинстве случаев её рассмотрение ограничивается нижним слоем атмосферы. При этом известно, что, кроме повышения температуры поверхности Мирового океана и его уровня, большое значение имеют изменение температуры более глубоких слоёв, кислотности, возможная смена циркуляции океана и в первую очередь его термохалинной меридиональной циркуляции, определяющей климат значительной части нашей планеты.
Намного меньше внимания уделяется изучению взаимосвязи изменения климата вблизи поверхности Земли и смены динамических и химических процессов в более высоких слоях атмосферы, в частности, в стратосфере — области с
диапазоном высот примерно от 15 до 55 км. За рамками данной публикации остаются направления исследований, развитие которых имеет большое значение для улучшения нашего понимания и совершенствования прогнозирования климатических перемен. К числу этих направлений относится исследование химических процессов в стратосфере, генерации и распространения гравитационных волн, меж- и внутригодовой изменчивости зональной циркуляции и активности планетарных волн, влияния солнечной активности на динамические и химические процессы в средней атмосфере, влияние смены циркуляции атмосферы на состояние ледового покрова в Арктике и другие.
Исследование стратосферы и изменение климата. Для исследований стратосферы в 1992 г. организован проект Всемирной программы по изучению изменения климата ООН "Стратосферные процессы и их влияние на климат" — Stratospheric Processes And their Role in Climates (SPARC). В рамках проекта осуществляются международные программы исследований химических и динамических процессов в стратосфере и тропосфере, их взаимосвязи, стратосферно-тропосферно-го обмена, изменения химического состава стратосферы, сравнение и совершенствование реализации динамических и химических процессов в климатических моделях общей циркуляции атмосферы. Два раза в год специалисты проекта распространяют информационный бюллетень о последних результатах исследований. Важнейшими событиями стали Генеральные ассамблеи SPARC, последняя из которых с участием более 300 учёных из разных стран прошла в Италии в 2008 г.
Изменение температуры стратосферы — одно из важнейших проявлений климатических изменений (рис. 1). Одновременно с ростом температуры вблизи поверхности Земли температура стратосферы снижается. Данные радиозондирования, лидарных и спутниковых измерений за 1980—2000 гг. показывают, что в нижней стратосфере температура понизилась на 0.5—1 K, в средней стратосфере ~0.5 K и более чем на 2 K за 10 лет в верхней стратосфере и нижней мезосфере, что значительно превышает увеличение температуры вблизи поверхности нашей планеты: ~0.2 K за декаду. Последние исследования свидетельствуют, что снижение глобальной температуры в нижней стратосфере за 1979—2007 гг. составило 0.5 K за декаду, при этом наибольший тренд наблюдается в нижней стратосфере Антарктики в весенние и летние сезоны: 1—1.5 K.
Важнейшими процессами, отвечающими за изменение температуры стратосферы, являются увеличение концентрации парниковых газов и уменьшение содержания стратосферного озона. При поглощении им коротковолновой УФ радиа-
I ММ
10
10
10
-3 =
-2 i
-1 =
о
S 100
U
ч <ч
св
10
10
|2-=
10
,3 3
Ч0-
Ч0-
" 10-
100 ¡3 о о
в
о
101 с
102
Ч03
180 200 220 240 260 ¡280 K Температура 0°C
Рис. 1. Вертикальное распределение температуры в атмосфере
ции происходит нагрев стратосферы и на фоне уменьшения содержания стратосферного озона, продолжающегося последние 30 лет, снижается нагрев, а значит, падает температура стратосферы. Увеличение содержания парниковых газов также ведёт к снижению температуры стратосферы из-за усиления радиационного выхолаживания. Результаты моделирования показывают, что снижение температуры определяется уменьшением содержания озона, в то время как в верхней стратосфере оба фактора воздействуют примерно одинаково.
Кроме перечисленных факторов, влияние на температурный режим стратосферы оказывает изменение средней меридиональной циркуляции, состоящей из восходящих движений в тропиках, перемещения воздушных масс в направлении зимнего полюса и нисходящих движений в средних и высоких широтах. За последние годы получено значительное количество результатов моделирования, свидетельствующих об усилении средней меридиональной циркуляции [2]. Оно ведёт к изменению переноса малых газовых составляющих и уменьшению "среднего возраста" воздуха в стратосфере [3]. Усиление циркуляции может быть вызвано изменением зонального ветра, связанного с падением температуры, которое способствует усилению распространения планетарных волн из тропосферы в стратосферу и их
3
2
1
диссипации в тропическом и субтропическом регионах. Одновременно с похолоданием в последние десятилетия во внетропической стратосфере наблюдается рост годового хода температуры [4]. Результаты расчётов климатических моделей, использованных при подготовке 4-го Оценочного доклада, показывают, что в ближайшие десятилетия наибольшее увеличение среднезональной температуры будет в верхней тропической тропосфере, а уменьшение — в стратосфере. Степень снижения температуры зависит от сценария антропогенных выбросов и от состояния стратосферного озона.
Изменение солнечной активности и извержения вулканов также влияют на температуру стратосферы. Установлено, что в тропиках влияние изменения солнечной активности (от максимума до минимума 11-летнего цикла) составляет от ~0.5 К в нижней стратосфере, до ~1.0 К в верхней стратосфере [5]. Последние сильнейшие извержения вулканов Эль-Чичон в Мексике в 1982 г. и Пи-натубо на Филиппинах в 1991 г. привели к росту среднеглобальной температуры нижней стратосферы по данным радиозондов на 0.4—0.6 К, сохранявшегося на протяжении нескольких лет, и к значительному снижению содержания озона.
До последнего времени считалось, что только тропосфера оказывает существенное влияние на имеющую значительно меньшую плотность стратосферу через распространение в ней планетарных и инерционно-гравитационных волн. Планетарные волны возникают в тропосфере вследствие неоднородностей орографии и нагрева поверхности суши и океана, а инерционно-гравитационные волны — при движении воздушных масс вблизи неоднородностей орографии и при образовании конвективных облаков.
В течение последних 10 лет были получены доказательства, основанные на анализе наблюдений и на модельных экспериментах, свидетельствующие о влиянии динамических процессов в стратосфере на тропосферу. Наибольшее внимание исследователей было уделено двум аспектам — состоянию озонного слоя и роли взаимосвязи стратосферы и тропосферы в наблюдаемом и прогнозируемом изменении климата. Важнейшим звеном, связывающим тропосферу и стр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.