ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 2, с. 232-244
УДК 551.511
МОДЕЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСЛАБЛЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СЦЕНАРИЕВ КОНТРОЛИРУЕМЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЭМИССИЙ В СТРАТОСФЕРУ
© 2009 г. А. В. Елисеев, И. И. Мохов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017, Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: eliseev@ifaran.ru Поступила в редакцию 04.04.2008 г., после доработки 10.06.2008 г.
С использованием климатической модели промежуточной сложности Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) проведены ансамблевые численные эксперименты для оценки эффективности контролируемого воздействия на климат (геоинжиниринга) за счет эмиссий стратосферных сульфатных аэрозолей (ССА), компенсирующего глобальное потепление, развивающееся при сценарии антропогенного воздействия SRES A1B. При достаточно интенсивном компенсирующем воздействии в модели возможна полная (и даже избыточная) компенсация ожидаемого антропогенного потепления. Однако для членов ансамбля со значениями управляющих параметров, соответствующими полученным для извержения Пинатубо, глобальное потепление во второй половине XXI века замедляется не более чем на 0.46 K с остаточным ростом глобальной приповерхностной температуры Tg относительно 1961-1990 гг., равным 1.0-1.2 K к 2050 г. и 1.9-2.2 K к 2100 г. Наибольшее замедление глобального потепления (при заданных других параметрах численного эксперимента) отмечается не для для меридионального распределения концентрации ССА с максимумом в низких широтах (несмотря на наибольший по модулю глобальный компенсирующий мгновенный радиационный форсинг), а для однородного распределения таких аэрозолей по горизонтали и для распределения с максимумом концентрации ССА в средних и субполярных широтах Северного полушария. Различие эффективности компенсирующего воздействия в терминах Tg во второй половине XXI века между наиболее и наименее эффективным меридиональным распределением стратосферных аэрозолей различается до трети в зависимости от значения других управляющих параметров. Для меридиональных распределений концентрации ССА, характеризующихся наибольшим замедлением глобального потепления, регионально такое замедление проявляется в наибольшей степени над сушей высоких и субполярных широт и в Арктике. Это, в частности, выражается в наименьшем сокращении площади морского льда и площади распространения вечной мерзлоты при потеплении климата в модели. Компенсирующее воздействие также уменьшает общий рост глобальных годовых осадков Pg при потеплении. Относительное уменьшение роста осадков в наибольшей степени проявляется в регионах суши вне тропиков, для которых в настоящее время наблюдается заметный дефицит увлажнения. В первое-второе десятилетия после возможного прекращения компенсирующего воздействия его температурный эффект исчезает с резким ускорением глобального и регионального приповерхностного потепления в этот период. Для отдельных членов проведенного ансамблевого эксперимента изменение глобальной температуры в этот период в пять раз больше, чем в эксперименте без компенсирующего воздействия, а регионально (на северо-востоке Сибири) - в десять раз.
1. ВВЕДЕНИЕ
Глобальное потепление климата наблюдалось на протяжении XX века (с беспрецедентным ускорением в его последние десятилетия) и продолжилось в первое десятилетие XXI века [1-3]. Это потепление связывается с антропогенным воздействием на земную климатическую систему, прежде всего за счет эмиссий парниковых газов [1, 3]. Необходимость адаптации к такому потеплению с учетом невозможности быстрого прекращения эмиссий антропогенных парниковых газов привела к рассмотрению возможности контролируемого компенсирующего
воздействия на климат с целью смягчения его изменений.
Впервые такая идея была высказана М.И. Буды-ко [4], который, основываясь на общем похолодании климата после крупных вулканических извержений, предложил распылять сернистые аэрозоли (подобные вулканическим) в стратосфере с целью предотвращения глобального потепления. В последние несколько лет интерес к тематике подобного контролируемого компенсирующего воздействия заметно возрос, получив название геоинжиниринга [5-9].
Однако к настоящему времени необходимая интенсивность таких контролируемых эмиссий стра-
тосферных сульфатных аэрозолей (ССА) для компенсации потепления остается невыясненной. Экспертные оценки этих эмиссий различаются между собой на порядок от 0.6 Мт8/год [7] до 5 Мт8/год [9] (в [8] рекомендованы эмиссии ССА 1-2 Мт8/год). Численные эксперименты с климатическими моделями приводят к необходимости больших эмиссий. Так, в транзитивном эксперименте [10] с климатической моделью полная компенсация потепления требует эмиссий интенсивностью =7 TrS/год в конце XXI века (и до=13 TrS/год в середине XXIV века). В случае равновесного отклика климата, однако, может оказаться достаточной эмиссия 1.5-3 Тгё/год в зависимости от распределения аэрозольных частиц по размерам [11].
Более того, компенсирующее воздействие на климат может привести к ряду нежелательных последствий [8]. Одним из них является возможность резкого развития засушливых условий над континентами, наблюдаемого после вулканических извержений [12, 13]. Этот эффект, однако, по крайней мере частично, компенсируется общим ростом осадков при общем потеплении. Вторым потенциально опасным эффектом является резкое ускорение потепления после прекращения компенсирующих сульфатных эмиссий, способное даже на глобальном уровне достигать 2-4 К/десятилетие [10, 14]. Кроме того, эмиссии сульфатов в стратосферу способны интенсифицировать активацию соединений хлора в стратосфере с деградацией озонового слоя как над Антарктикой, так и над Арктикой [15].
Следует иметь в виду, что во всех указанных работах не анализировалась эффективность компенсирующего воздействия при различном распределении ССА по горизонтали. В частности, в экспериментах с численными моделями использовалось либо однородное распределение стратосферных сульфатов по горизонтали, либо распределение, обусловленное распределением парникового мгновенного радиационного форсинга на верхней границе атмосферы. В [13] был проанализирован отклик глобального и регионального климата на эмиссии сульфатов в стратосферу отдельно для полярных и тропических широт. Однако вычислительная дороговизна модели общей циркуляции, использованной в [13], не позволила провести ансамблевые эксперименты большой суммарной длительности. В [11] эффективность компенсирующего воздействия рассматриваемого типа была исследована для аэрозольных частиц различного размера ("крупных" и "мелких" частиц сферической формы, см. [11]). Такие параметры аэрозольных частиц, как их размер и форма, в принципе, могут контролироваться при осуществлении компенсирующего воздействия. В связи с этим целесообразно проведение систематических ансамблевых расчетов, в том числе с изменением характеристик аэрозольных частиц при контролируемом компенсирующем воздействии на климат.
Целью настоящей работы является оценка эффективности компенсирующего воздействия (геоинжиниринга) при различных значениях управляющих параметров, в том числе при различном задании распределения ССА по горизонтали, с использованием климатической модели, разработанной в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (КМ ИФА РАН) [2, 16-20]. При этом уделяется также внимание оценке возможных побочных эффектов реализации такого воздействия. Частично приведенные в данной работе результаты были опубликованы в [21].
2. МОДЕЛЬ И ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
В данной работе КМ ИФА РАН (версия [20]) была дополнена схемой расчета оптической толщины стратосферных рассеивающих аэрозолей st, линейно зависящей от их массы в столбе атмосферы единичной площади Ma, st
^а, st _ ke, a, stMa, st. (1)
Коэффициент экстинкции ke, а, st был оценен по измерениям, проведенным при извержении вулкана Пинатубо в 1991 г. Для этого извержения полная масса вулканического аэрозоля составила =10 Тгё [22], а st достигла 0.15 [23]. Это приводит к ke а, st _ = 7.6 м2/г. Мгновенный радиационный форсинг на верхней границе атмосферы Ra, st, TOA (называемый также радиационным возмущающим воздействием [24]), в свою очередь, в модели рассчитывался согласно
R _
Ra, st, TOA _ -аа, st^a, st,
(2)
где аа, st _ 22 Вт/м2. Такая параметризация Ra, st, TOA использовалась ранее для оценки влияния вулканического воздействия на климат [20].
С КМ ИФА РАН был проведен численный эксперимент ANT для 1860-1990 гг. при антропогенном воздействии на климат за счет парниковых газов и тропосферных сульфатных аэрозолей. В этом эксперименте годовые эмиссии углекислого газа для периода 1860-2000 гг. за счет сжигания топлива и промышленной деятельности были заданы по данным [25], за счет землепользования - по данным [26]. Антропогенные эмиссии метана задавались для 1860-2000 гг. по данным [27], но уменьшенными на 13% (см. [19]). Годовые естественные эмиссии метана болотными экосистемами интерактивно рассчитывались КМ ИФА РАН; остальные естественные эмиссии были заданы постоянными во времени (см. [19]). Концентрация CO2 и CH4 рассчитывались интерактивно блоками углеродного и метанового цикла КМ ИФА РАН. Среднегодовая концентрация закиси азота для XIX-XX веков периода была задана в соответствии с данными ледового бурения в Гренландии [28]. Для XXI века антропогенные эмиссии углекислого газа и метана и концен-
трация закиси азота были заданы в соответствии со сценарием SRES A1B [1]. Изменение полного среднегодового содержания сульфатных аэрозолей в тропосфере для 1860-2100 гг. было задано согласно результатам расчетов с моделью химии и переноса примесей в атмосфере MOZART 2.0 [29]. Начальным условием для этого и остальных использованных в данной работе численных экспериментов служило равновесное доиндустриальное состояние модели.
Дополнительно с КМ ИФА РАН был проведен ансамбль численных экспериментов GEO с учетом компенсирующего воздействия за счет ССА. В этих экспериментах общее количество таких аэрозолей Ma, st, g рассчитывалось согласно
dM,
a,s
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.