Солярная теория изменений климата

16.07.2021 JeeesAdmin 2021-02 0

Фёдоров Валерий Михайлович [0000-0003-2305-7408]

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

E-mail: fedorov.msu@mail.ru

Аннотация. В статье представлено интервью зам. главного редактора журнала «Окружающая среда и энерговедение» К.С. Дегтярева с ведущим научным сотрудником Научно-исследовательской лаборатории геоэкологии Севера географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, кандидатом географических наук Валерием Михайловичем Фёдоровым. Обсуждаемая тема – теории и причины изменений глобального климата. Автор считает, что климат меняется, прежде всего, в силу естественных причин, и выдвигает теорию, названную им Солярной теорией изменения климата (СТИК).

Ключевые слова: климат, глобальный климат, изменения климата, экология, солнечная радиация, орбитальные параметры Земли, Солнечная система, солярная теория изменений климата

Климат – важнейшая характеристика природной среды обитания человека и общества, поэтому исследование изменений глобального климата является одной из важнейших научных и практических проблем. Эта проблема определяется необходимостью прогнозирования последствий климатических изменений для природной среды, человека и общества. Наиболее важным в проблеме исследования и прогнозирования изменений климата и связанных с ними последствий является вопрос о причинах, вызывающих эти изменения [1, 2 – 4]. Среди возможных причин формирования и изменения климата основными считаются солнечная радиация, парниковый эффект планеты, вулканическая деятельность и механизмы теплообмена.

Солнечная радиация является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли. С широтными особенностями распределения солнечной радиации связано расположение климатических поясов (широтная зональность). С изменением радиационного тепла с высотой связана высотная поясность. В древности Гиппархом (древнегреческий астроном, географ и математик II-го века до нашей эры) было дано объяснение годовой смене климатических сезонов. Эта смена объяснялась изменением наклона падения солнечных лучей, связанным с орбитальным движением Земли и наклоном оси ее вращения («климат» в переводе с греческого языка означает – «наклон»). Кроме этого, отмечаются межгодовые и многолетние изменения климата, причины которых пока однозначно не определены.

В регулировании поступления солнечной радиации к Земле (без учета атмосферы) и распределении ее по земной поверхности (солярный климат Земли) выделяются два механизма, имеющие различную физическую природу. Один механизм связан с изменением активности Солнца. Другой механизм определяется небесно-механическими процессами, изменяющими элементы земной орбиты (расстояние Земля – Солнце, продолжительность тропического года и др.), наклон оси вращения и связанные с ними изменения в поступлении солнечной радиации и ее распределении по широтам и сезонам.

В перераспределении радиационного тепла в природной системе Земли (в атмосфере и океане) участвуют механизмы: межширотного теплообмена (меридионального переноса тепла от экваториальной области к полярным районам – «тепловая машина первого рода»), теплообмена в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла («тепловая машина второго рода»), теплообмена в системе океан – атмосфера, межполушарный теплообмен и др. [5,6]. Важным фактором в регулировании термического режима Земли является состав атмосферы (прежде всего, содержание Н2О), определяющий величину альбедо (отражения приходящей от Солнца коротковолновой радиации), роль парникового эффекта планеты и ее изменение [2, 4].

В XX веке отмечена тенденция повышения глобальной приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) и температуры поверхности океана (ТПО), однако причины этого однозначно не определены. Широко распространено мнение о том, что основной причиной изменения глобального климата является парниковый эффект, связанный, главным образом, с эмиссией парниковых газов, определяемой антропогенным фактором [7]. В то же время, не подвергается сомнению то, что солнечная радиация имеет важнейшее значение в генезисе климата и в развитии жизни на Земле [1, 2–4, 5, 6, 8, 9].

В связи с этим мы публикуем интервью зам. главного редактора журнала «Окружающая среда и энерговедение» К.С. Дегтярева с автором солярной теории изменения климата, ведущим научным сотрудником Научно-исследовательской лаборатории геоэкологии Севера географического факультета МГУ им. Ломоносова, кандидатом географических наук Валерием Михайловичем Фёдоровым. Обсуждаемая тема – причины изменений глобального климата.

В.М. Фёдоров придерживается точки зрения, что изменения глобального климата определяются радиационными факторами, регулируемыми характеристиками орбитального движения Земли и наклоном оси ее вращения. В Солярной теории изменения климата (или просто солярной теории климата), рассматриваются вариации приходящей солнечной радиации по широтам и сезонам, а также характеристики инсоляции, регулирующие механизмы теплообмена. Изменение инсоляционных характеристик связано с изменением орбитального движения Земли (расстояние Земля – Солнце, склонение) и наклона оси ее вращения. Важнейшим фактором изменения глобального климата является меридиональный перенос  радиационного тепла, усиление которого связано с уменьшением наклона оси. Характеристикой меридионального переноса радиационного тепла является инсоляционная контрастность – разность солнечной радиации, поступающей в область, являющуюся источником тепла (00 – 450), и радиацией, приходящей в область стока тепла (450 – 900).

Инсоляционная контрастность обобщенно (по областям источника и стока тепла) отражает изменение меридионального градиента инсоляции. Межполушарный теплообмен регулируется инсоляционной сезонностью Земли, а теплообмен в системе океан – атмосфера, связанный с сезонной сменой областей источника и стока тепла определяется инсоляционной сезонностью полушарий.

Информационная и методологическая основа теории – выполненные В.М. Федоровым совместно с А.А. Костиным расчёты инсоляции с высоким пространственным и временным разрешением и детальное исследование солярного климата Земли.

Ответ на первый вопрос есть во всех учебниках климатологии. По двум основным причинам. Одна связана с солнечной радиаций, без которой вопрос о климате потерял бы всякую актуальность. Другая связана с парниковым эффектом планеты. При этом известно, что основным парниковым газом является водяной пар. Это и понятно, Земля – планета водная, около 70% ее поверхности занято океанами и морями, из которых испаряется влага. И, конечно, известен гидрологический цикл – круговорот воды в природе. Фазовые переходы воды в пар или лед и обратно происходят с выделением или поглощением тепла. Так вот, изменения глобального климата связаны, прежде всего, с  этими факторами. Кроме этого, тектоника, вулканизм, возможно, скорость осевого вращения Земли и др.

На второй вопрос можно ответить так. Современное потепление глобального климата определяется усилением меридионального переноса тепла из экваториальной области в полярные районы. Эта тенденция началась около 10 тыс. лет назад, и ею определяется климат современного межледниковья (голоцена). Эта тенденция потепления усиливалась в позднем голоцене (например, малый климатический оптимум) или ослаблялась (например, малый ледниковый период). Усиление потепления было связано с максимумом  межполушарного теплообмена и максимальной зимней инсоляционной контрастностью в Северном полушарии (около 1000 г. н.э.). Ослабление определялось минимумом летней инсоляции в Северном полушарии (около 1550 г.). Усиление меридионального переноса тепла, связанного с уменьшением наклона оси, сопровождается положительными обратными связями. Так, адвекция тепла из низких широт в высокие широты приводит к потеплению в области стока тепла. Следствием этого является увеличение испарения и содержания водяного пара в атмосфере, что приводит к усилению парникового эффекта и дополнительному потеплению, которое вновь приводит к увеличению испарения и т.д. Инсоляционной контрастностью в регрессионной модели определяется приблизительно 70–75% многолетних изменений приповерхностной температуры воздуха (ПТВ) и температуры поверхности океана (ТПО). С учетом Климатической мультидекадной осцилляции (с периодом около 60 лет) регрессионная модель объясняет более 85% наблюдаемых изменений ПТВ и ТПО.

Сейчас, можно сказать, господствующая концепция – глобального потепления, идущего с беспрецедентно большой скоростью, и связанного, прежде всего, с антропогенным фактором. Мне интересно, во-первых, в чём именно её научное обоснование? Просто корреляционная взаимосвязь потепления и роста эмиссии парниковых газов? И, если научная основа этой концепции слаба, почему и как она победила?

Я бы не стал говорить о беспрецедентно большой скорости. За 100 лет глобальная температура изменилась приблизительно на 1 градус. Утверждать, что это беспрецедентная скорость, я бы не стал.

Хотел бы сразу сослаться на свою статью в журнале «Политика и общество». Она называется «Политика в области климата и вопросы национальной безопасности Российской Федерации» [10].

Там всё описано. Парниковый эффект обнаружил Жан-Батист Фурье ещё в начале XIX века. Далее, уже в конце позапрошлого столетия,  последовало предположение Сванте Аррениуса, что парниковый эффект может быть связан с двуокисью углерода. А в конце 1930-х Гай Стюарт Каллендер (Guy Stewart Callendar) на основе имевшихся тогда данных о росте содержания CO2 в атмосфере и его выбросах при сжигании топлива, предположил, что парниковый эффект и потепление климата может иметь антропогенное происхождение [11].

Да, это была силлогическая конструкция, умозрительное предположение, на тот момент не встретившее понимание научного сообщества, тем более, что в 1940-е – начале 1950-х потепление сменилось похолоданием, притом, что антропогенная эмиссия CO2 продолжала расти. Однако эта идея была реанимирована несколько десятилетий спустя, причём, при активном участии политиков, например, таких, как бывший вице-президент США Альберт Гор. Физической основы для климата это не имеет, поскольку по содержанию и по удержанию тепла водяной пар превосходит двуокись углерода, связанную с деятельностью человека, на три порядка. Эти представления, основанные только на предположениях (Аррениуса и Календер), широко распространены. Думаю потому только, что это кому-то нужно.

Отметим, что и IPCC  – ведущая организация, продвигающая идею главной роли антропогенного фактора в потеплении, финансируется Государственным департаментом США в объёме приблизительно $ 10-12 млн. в год. Во всяком случае, такая информация есть в интернете.

Я заметил некоторое изменение «риторики» в последнее время. Заговорили о том, что, хотя были тёплые периоды, теплее нынешнего, в прошлом – и, разумеется, без антропогенного воздействия, но такого резкого потепления не было никогда…

Можно посмотреть и оценить, каковы темпы этого потепления.  Есть несколько массивов температурных данных. Наиболее известные в нашей стране, например,  массивы данных Университета Восточной Англии (University of East Anglia) и Национального управления океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) США.

Ничего там страшного нет. Берутся средние земные температуры за период 1961-1990 гг., и от него отсчитываются аномалии. Эти аномалии за 100 с небольшим лет находятся в пределах 10 для атмосферы и ещё чуть менее для океана. Много говорят об этом. Но надо исходить из реальных оценок темпов потепления и, исходя из этого, оценивать дальнейшие изменения климата и их последствия. Однако, это возможно, если известны причины изменения климата. Антропогенный СО2 таковой не является. И выбросы – это проблема не климатическая, а экологическая.

А что, в принципе, понимается под температурой Земли, и что именно имеют в виду, когда говорят, что она растёт?

Методика расчёта следующая. В настоящее время за основу принят период 1961-1990 гг. (хотя его можно сдвигать в прошлое или будущее). Для этого периода по данным метеостанций рассчитываются средние температуры воздуха по широтным зонам (на высоте 2 метра над землёй — высота будки на метеостанции), затем они умножаются на косинус средней широты зоны (поскольку площади с повышением широты уменьшаются), далее берётся среднее значение, которое делится на косинус 450. Это расчёты по данным непосредственных наблюдений. А реконструированные температуры прошлых эпох получают по совокупности косвенных методов; например, используется спорово-пыльцевой анализ, хотя, конечно, это более грубая оценка на основе косвенных признаков. Так вот, в настоящее время приповерхностные температуры Земли и полушарий превышают соответствующие нормы – ПТВ Земли и полушарий, характерные для периода 1961-1990 гг.

В чём суть Вашего подхода к объяснению изменений климата, и что в нём нового?

Подход основывается на представлениях о том, что изменения глобального климата определяются глобальными причинами. Эти причины – гравитационное взаимодействие – изменяющее характеристики орбитального движения Земли, наклон оси и скорость осевого вращения нашей планеты. И электромагнитное взаимодействие – или солнечная радиация, приход и распределение которой по широтам и сезонам зависит от орбитальных характеристик Земли, наклона оси ее вращения. Это логично. Смена климатических сезонов связана с тем, что ось вращения имеет наклон. С изменением угла наклона связаны многолетние изменения климата, как показали наши исследования. Я уже упоминал о 75-85% объясняемой инсоляционной контрастностью изменчивости ПТВ и ТПО. Инсоляционная контрастность, отражающая изменение меридионального градиента инсоляции, которым регулируется перенос тепла в системе океан – атмосфера, линейно связана с углом наклона оси.

Чтобы получить результат, объясняющий изменения температурного режима глобального климата пришлось выполнить, во-первых, расчеты инсоляции с высоким пространственным и временным разрешением (понятно, что солнечная радиация – основной источник энергии гидрометеорологических процессов).

Расчеты инсоляции — задача интересная. Первоначально, 100 лет назад их выполнил Милутин Миланкович на основе учета трёх астрономических параметров: эксцентриситета, долготы перигелия и наклона оси (рис. 2). Затем это повторяли его последователи (Шараф, Будникова, Вернекар, Берже, Ласкар и др.) с учетом появления новых данных в теории возмущений и открытия новых небесных тел в Солнечной системе. Но это низкочастотные вариации. Периоды изменений астрономических параметров и связанных с этим вариаций инсоляции длительны: для эксцентриситета это около 90 тыс. лет, для наклона оси – 40 тыс. лет, для долготы перигелия – от 19 до 24 тыс. лет.

Однако, климатические выводы основывались только на учёте приходящей солнечной радиации, причём только за летний период и только на 65-ю широту (650 с.ш.). Расчеты выполнялись и на некоторые другие параллели, но климатическая схема, связывающая солярный климат с глобальным, оставалась прежней.

Первоначально результаты расчетов инсоляции согласовывались с данными Вальтера Пенка и Эдуарда Брикнера по периодам альпийских оледенений (рис.3): Гюнц, Миндель, Рисс, Вюрм (российские аналоги: Окское, Днепровское, Московское и Валдайское оледенения). Но позже, с появлением методов абсолютного датирования, обнаружилась рассогласованность, и схема потеряла свою актуальность, но, тем не менее,  сохранила свою привлекательность.

В семидесятых годах прошлого столетия появились данные по донным фораминиферам. Спектральный анализ показал сходную периодичность изменений изотопного состава этих фораминифер и изменения летней инсоляции на 650 с.ш. Однако, поскольку совпадение периодов ещё не является доказательством причинно-следственной связи, а только намеком на нее, про астрономическую теорию климата снова забыли.

Также проводились расчёты также с учётом периодических вариаций, но на меньшие промежутки времени и, самое главное, что всего на 5 дней в году: на точки равноденствия и солнцестояния и ещё на одну точку 120 геоцентрической долготы, что соответствует примерно середине лета.

Таким образом, астрономическую теорию климата применять к объяснению причин палеоклимата стало проблематично, к объяснению современного климата просто невозможно из-за низкого разрешения в расчетах инсоляции – как временного, так и пространственного.

Временного – потому, что и у Миланковича, и у Шараф и Будниковой были расчёты с шагом примерно в 5000 лет, у Вернекара, Берже, Ласкара, Монина – с шагом в 1000 лет.

Как это делается? Например, при расчетах инсоляции на 650 с.ш. Известно, во сколько там восход и заход Солнца, например, 1 января, и легко посчитать суточную радиацию. Таким же образом, рассчитывается суточная радиация на 2 января и т.д. до 31 декабря. Затем делается шаг на 1000 или 5000 лет в прошлое или будущее и, с учётом изменений долготы перигелия, эксцентриситета и наклона оси, то же самое пересчитывается и т.д. Таким образом, временные «бреши» получались от 1000 до 5000 лет по времени.

Низкое пространственное разрешение определялось тем, что расчёты велись только на отдельные параллели. Поэтому появлялись и пространственные «бреши».  Кроме того, при всех этих расчётах Земля рассматривалась как сфера. Между тем, Земля – эллипсоид. Наши расчеты инсоляции для сферы и эллипсоида позволили оценить влияние формы Земли на характер ее облучения. Разница в инсоляции сферы и эллипсоида оказалась соизмеримой с вариациями солнечной активности в 11-летнем цикле за период инструментальных наблюдений.

Кроме того, Миланкович, хотя и сделал большой шаг к исследованию солярного климата, но при переходе к глобальному климату учитывал только вариации приходящей солнечной радиации. И не учитывал механизмы переноса радиационного тепла или теплообмена, за что этот подход критиковал ещё Михаил Иванович Будыко. 

Таким образом, сам подход привлекателен, поскольку представляется логичным объяснить изменения климата глобальными причинами, отражающими два известных в макромире фундаментальных физических взаимодействия: гравитационное и электромагнитное. Однако объяснить климатические изменения на основе существующей астрономической теории климата Миланковича не удавалось.

Мы подумали и решили пойти другим путём – провели (совместно с А.А.Костиным – выпускником нашего мехмата) расчёты с высоким пространственным и временным разрешением на основе высокоточных астрономических эфемерид НАСА [13]. Это база данных, в которых в табличной, а сейчас уже в полиномиальной, форме содержатся данные на полдень каждого дня о положении небесных тел в Солнечной системе, т.е. их орбитальные элементы. На время расчетов актуальны были эфемериды DЕ406, позволявшие осуществить высокоточные расчёты на период 5000 лет в прошлое и на 1000 в будущее. Если распечатать рассчитанный нами массив данных по инсоляции, то получится порядка 200 книг по 300 страниц. Мы занимались этим примерно года два [14], несколько раз пересчитывали из-за обнаруженных ошибок при программировании. Это была довольно сложная задача. В результате был получен массив данных по инсоляции с разрешением по пространству 10х10 и по времени 1/360 часть продолжительности тропического года (приблизительно сутки). При этом, если наши предшественники рассчитывали инсоляцию для параллелей – характеристику пространства первого порядка, то мы рассчитывали на элементарную площадь – характеристику пространства второго порядка.

Мы также учли эллипсоидальную форму Земли и, более того, сейчас мы посчитали инсоляцию и для разных высотных уровней от верхней тропосферы до нижней мезосферы. Таким образом, мы на интервале 5000 в прошлое и 1000 лет в будущее закрыли все пространственные и временные «бреши» в астрономической теории климата. Это давало возможность провести детальные исследования солярного климата Земли. Сопоставление результатов анализа изменений характеристик солярного климата Земли (инсоляционная контрастность, инсоляционная сезонность Земли и полушарий, вариаций приходящей радиации по сезонам и широтам) позволили сделать определённые выводы о причинах изменения климата. Во-первых, удалось учесть механизмы теплообмена, основной из которых – меридиональный перенос радиационного тепла. Выяснилось, что из-за уменьшения наклона оси увеличивается приход радиации в экваториальную область и сокращается в полярные районы (рис. 4). Соответственно, увеличивается меридиональный градиент инсоляции.

Мы рассчитали средний годовой градиент инсоляции и сравнили его распределение со средним годовым переносом энергии в системе океан-атмосфера (рис. 5). Оценки переноса энергии представлены в ряде работ, например, у Палмена (E. Palmen) и Ньютона (C.W. Newton) [16]. Получилась практически линейная корреляция с коэффициентом 0,98-0,99.

Но, поскольку перенос энергии в системе океан-атмосфера не может управлять меридиональным градиентом инсоляции, это значит, что меридиональный градиент инсоляции управляет переносом энергии в системе океан-атмосфера. А меридиональный градиент инсоляции, в свою очередь, линейно связан с изменением угла наклона земной оси. Следовательно, при изменении угла наклона оси, изменится меридиональный градиент инсоляции, что повлечет изменения и меридионального переноса энергии в системе океан – атмосфера.

Нами была рассчитана инсоляционная контрастность (ИК) – обобщенно по областям источника и стока тепла отражающая изменение меридионального градиента инсоляции. ИК – это разность солнечной радиации, приходящей в область источника тепла в полушарии (0 – 450) и радиации, приходящей в область стока тепла (450 – 900). Коэффициент корреляции ИК с  данными ПТВ и ТПО Климатического центра Хедли (Hadley Centre for Climate Science and Services) Университета Восточной Англии по температурам  поверхности океана и воздуха в среднем (по полушариям и для Земли) составил 0,85. На основе тесной связи была построена простая регрессионная модель изменения ПТВ (Земли и полушарий) и ТПО (Мирового океана и полушарий). Оказалось, что 70%–75% многолетних изменений ПТВ и ТПО объясняются многолетними изменениями инсоляционной контрастности, отражающей изменения меридионального переноса радиационного тепла и переноса энергии в системе океан – атмосфера.

Далее мы проанализировали различия наших модельных ПТВ и ТПО, полученных из уравнения регрессии на основе данных по инсоляции, и фактических ПТВ и ТПО (по данным Hadley Centre). И получилось очень интересно – эти различия совпадают с 60-летними колебаниями температур, проявляющимися по всему миру, но наиболее масштабно в Северной Атлантике [17], где эта осцилляция известна как АМО (Atlantic Multidecadal Oscillation). С учётом этой осцилляции с периодом около 60 лет,  уже удалось объяснить приблизительно 85% многолетних изменений ПТВ и ТПО. То есть,  современные изменения ПТВ и ТПО определяются, в основном, изменением инсоляционной контрастности (связанной с наклоном оси) и 60-летней осцилляцией (вариации которой, вероятно, связаны с изменением скорости вращения Земли вокруг оси). Упрощенно, АМО — это зональный (по Лапласу) прилив с периодом около 60 лет, определяющий периодическую динамику движения холодных водных масс к экватору и тёплых от экватора (вероятно в это колебание также вовлекаются глубинные – холодные, и поверхностные – теплые воды).

Таким образом, изменения климата вполне объясняются без помощи антропогенного СО2.  Глобальная температура увеличивается от того, что уменьшается наклон земной оси. С уменьшением наклона оси увеличивается поступление солнечной радиации в низкие широты, и возрастает мощность экваториального «калорифера». Следователь тепло интенсивнее переносится в область его стока, где становится теплее. От этого увеличивается испарение и содержание водяного пара в атмосфере,  усиливается парниковый эффект. Происходит усиление потепления по уже описанной в ответах на другие вопросы схеме.

Положительная обратная связь…

Конечно. И, кроме того, в тёплых воздушных массах, приходящих из экваториальных и тропических областей в умеренные и арктические районы, происходит конденсация, и за счёт этого выделяется дополнительное скрытое тепло. Вот физические механизмы, которые всё это объясняют и являются дальнейшим развитием астрономической теории климата и ее приложением к объяснению изменений современного глобального климата.

Прошу прощения за дилетантский вопрос, но откуда известно, что  наклон земной оси меняются, и как это определяют?

Составление эфемерид является одной из основных задач теоретической астрономии. Это непосредственные радиометрические (радиотелескопы) и лазерные измерения, а также теоретический расчёт  на основе теории Ньютона, теории возмущения небесных тел. Рассчитываются массы небесных тел Солнечной системы и их орбитальные характеристики. Мы в расчетах инсоляции используем эти данные (расстояние Земля – Солнце, геоцентрическая долгота, склонение и др.).

Гравитационное влияние небесных тел заставляет ось вращения Земли колебаться с периодом около 40 тыс. лет. Размах этого колебания составляет около 2 градусов и 37 минут (это около 11% от современного угла наклона оси). Известны также нутационные колебания наклона оси с периодом 19 лет. Они связаны с лунным гравитационным воздействием на ось вращения Земли. С изменением наклона оси с разной периодичностью изменяются и характеристики инсоляции по широтам и по сезонам. Отсюда возникают как вариации приходящей радиации, так и изменения в механизмах переноса радиационного тепла. 

Как я уже говорил, уменьшение угла наклона началось около 10 000 лет назад. Это период, характеризующий начало активной фазы перехода от холодного плейстоцена к тёплому голоцену, деградации покровных ледников. Но климат связан не с одним фактором. Я рассказал только про один из них – инсоляционную контрастность. Но на фоне этого потепления действуют и другие факторы, связанные с механизмами теплообмена, обусловленными, опять же, неравномерным поступлением радиации, а также с тектоникой и изменением активности Солнца. Собственно это разные физические проявления или следствия радиационного фактора

Например,  Малый климатический оптимум голоцена — период первых поселений викингов в Гренландии, синхронизируется с максимумом межполушарного теплообмена (около 1000 года). Межполушарный теплообмен — это процесс переноса тепла из летнего полушария в зимнее. Он регулируется инсоляционной сезонностью Земли.

Этот перенос тепла из летнего полушария в зимнее не сбалансирован и имеет периодический характер изменения. Максимум разности между летней инсоляцией в Южном полушарии и зимней инсоляцией в Северном и между летней инсоляцией в Северном полушарии и зимней инсоляцией в Южном полушарии приходится приблизительно на 1000 г. Другой причиной малого климатического оптимума мог быть максимум зимней инсоляционной контрастности в Северном полушарии, который приходится на это же время. То есть, тепло из летнего Южного полушария переносится в зимнее Северное, где в зимний сезон отмечается максимум меридионального переноса тепла.

Малый ледниковый период (XV-XVIII вв.) наступил тоже  на фоне идущего долгосрочного потепления (связанного с уменьшением наклона оси с начала голоцена), но связан был с минимумом летней инсоляции в Северном полушарии. Летняя инсоляция имеет существенное значение по нескольким причинам. Во-первых, при её увеличении увеличивается испарение и усиливается парниковый эффект. Кроме этого, из-за деградации морских льдов и ледников уменьшается альбедо и прогрев поверхности, от которой нагревается атмосфера, дополнительно усиливается. В период минимума летней инсоляции, соответственно, происходят обратные эффекты. Летний минимум солнечной радиации в Северном полушарии приходится приблизительно на 1550-й год. Именно к этому периоду относятся картины замёрзшей Темзы и каналов в Голландии.

Природная система неоднородна, и поэтому она реагирует в разных местах по-разному. Это уже другой, не глобальный, а региональный климатический масштаб. В разных районах отклик на минимум летней инсоляции в разных районах отличался по фазе и по снижению температуры.

Итак, главная причина изменения глобального климата – изменение меридионального градиента инсоляции, регулирующего изменения меридионального переноса тепла («тепловая машина первого рода» по Шулейкину). На этот процесс накладываются более мелкие колебания, например 60-летнее колебание, а также колебания, связанные с сезонными и полушарными вариациями инсоляции, инсоляционной сезонностью Земли и полушарий. Так характеристиками сезонной инсоляции Земли регулируется межполушарный теплообмен.

Теплообмен между океаном и атмосферой (связанный с сезонной сменой областей источника и стока тепла – «тепловая машина второго рода» по Шулейкину), регулируется инсоляционной сезонностью в полушариях. Эти механизмы теплообмена или переноса радиационного тепла действуют одновременно, поэтому надо определять их участие в многолетних изменениях температурного режима Земли для разных пространственных и временных масштабов. Это у нас сейчас актуальная задача.

Также возникает интересный аспект в связи с изучением продолжительности современного потепления. Он связан с тем, что из-за более эффективного переноса радиационного тепла в Северном полушарии, чем в Южном, меридиональный температурный градиент в Северном полушарии уменьшается, а в Южном увеличивается.

Это связано с тем, что в Южном полушарии меридиональный перенос тепла блокируется в значительной степени «ревущими сороковыми» – зональный перенос в атмосфере, а в океане – Циркумантарктическим течением. В результате в южную область стока тепла его приходит меньше, а в области стока поступление радиационного тепла увеличивается. Температурный градиент в Южном полушарии, таким образом, увеличивается, тогда, как в Северном полушарии он уменьшается из-за активного меридионального переноса тепла в область его стока. В общем, температурные изменения в полушариях имеют асинхронный характер. Эти следствия, как эффекты отрицательной обратной связи в Северном полушарии и положительной обратной связи в Южном полушарии, придется учитывать при прогнозировании изменений климата.

Кажется, я начинаю понимать, с чем связан успех концепции антропогенного потепления климата. У Вас сложные объяснения взаимодейсвтия радиационных, гравитационных, термодинамических факторов. А «антропогенная» гипотеза предлагает простой и понятный ответ на вопрос. Мы видим, что растут связанные с антропогенной деятельностью выбросы парниковых газов, и это безусловный факт, и одновременно с этим идёт потепление, и это тоже факт. Отсюда тут же напрашивается вывод, что климат теплеет из-за человеческой деятельности, приводящей к росту выбросов в атмосферу. Всё выглядит понятным и очевидным. И цифры, приводящиеся по выбросам СО2, действительно огромны – на каждого человека по несколько тонн в год, всего десятки миллиардов тонн ежегодно. Много это или мало в масштабах Земли, следующий вопрос, но выглядит впечатляюще…

Сколько тонн СО2 приходится на человека – это вопрос к росту населения Земли и экологии.

Водяной пар, и это прописано во всех учебниках климатологии, является основным парниковым газом. По объёмному содержанию в атмосфере (в среднем около 2%, максимально до 4%) он многократно превосходит СО2. Суммарное содержание СО2 естественного и антропогенного происхождения составляет 0,04%. При этом около 1% от этого только антропогенный СО2. По удержанию тепла 76% приходится на водяной пар и 4% на СО2 (также суммарный). Если учесть, что СО2, связанный с выбросами в результате деятельности человека, составляет около 1%, то водяной пар как по содержанию, так и по удержанию тепла на три порядка превосходит СО2 антропогенного происхождения.

Как я уже отмечал, Земля – планета водная и более 2/3 ее поверхности занято океаном и морями с поверхности которых испаряется влага влаги. Облака – это образования, в основном, из водного пара. Морские льды и горные ледники – это тоже вода только в твердом состоянии. Фазовые переходы воды сопровождаются процессами выделения или поглощения тепла. Поэтому, учитывая также известный гидрологический цикл – круговорот воды в природе, всерьез говорить о влиянии на климат антропогенного фактора не приходится.

Выбросы – это проблема, прежде всего, экологическая. Однако и в этой проблеме не стоит забывать, что СО2 вообще полезен планете, как сырье для фотосинтеза (повышения урожайности).

Не могу не отметить, что потепление (равно как и похолодание) климата имеет целый спектр не только отрицательных, но и положительных последствий. Более того, и автор гипотезы антропогенного потепления климата Г.С. Каллендер [11] рассматривал его, скорее, как благо —  улучшение сельскохозяйственных условий и задержка наступления очередного ледникового периода…

Я такими оценками последствий изменения глобального климата не занимался. Пока мы можем дать оценочные прогнозы изменения характеристик глобального климата, природной среды. Это уже лучше чем, неопределенность, которая следует из сценарных прогнозов. Отмечу, что в Климатический оптимум голоцена температура была на 20–30 выше, но, например, вечная мерзлота, как была, так и есть. Тем не менее, наиболее характерной чертой изменения глобального климата является не потепление, а усиление неустойчивости, связанной с повышением вихревой активности (таких образований как циклоны, в том числе, тропические и антициклоны). Этот вывод следует из наших результатов.

Также много стали писать и говорить о метане, его большей (примерно в 20 раз) эффективности удержания длинноволновой радиации от земной поверхности, чем у СО2. Однако, если это и так, хотя это требует подтверждений, то не стоит забывать, что СО2 в атмосфере примерно в 225 раз больше, чем метана.

А сам рост содержания CO2 связан с тем, что температура поверхности океана повышается. При повышении ТПО растворимость CO2 снижается, поэтому его содержание в атмосфере увеличивается. Это физически обосновано. А предположение, что потепление связано с увеличением CO2, и предположение о том, что увеличение CO2 связано с антропогенной деятельностью – это всего лишь предположения.

Простите, ещё один дилетантский вопрос – по эффекту «ядерной зимы», о котором много говорили 30-40 лет назад. Тогда предполагалось, что выбросы в атмосферу вызовут, напротив, резкое понижение температуры. В настоящее время со сходными эффектами связывают уже потепление. Нет ли тут противоречия? Складывается впечатление, что, если бы сейчас шло не потепление, а похолодание, его бы тоже можно было посредством таких же спекулятивных построений легко связать с антропогенной деятельностью …

Наверно, противоречие тут есть. Хотя мне эта тема не очень интересна. Но, если рассматривать с точки зрения физики, ситуация двояка во всех случаях: с одной стороны – удерживается инфракрасное излучение с поверхности Земли, с другой – не пропускаются ультрафиолетовые лучи на её поверхность. А соотношение того и другого остаётся под вопросом. Однозначных результатов, насколько мне известно, получено не было. Да, если бы сейчас шло похолодание, его можно было бы, при желании, объяснить тем, что антропогенные выбросы пыли, сажи и других соединений блокируют поступление ультрафиолетового излучения к Земле. А наблюдаемое в настоящее время потепление объясняется радиационным форсингом антропогенного СО2, то есть его вкладом в удержание длинноволнового излучения.

Как мной отмечалось, эмиссия «парниковых» газов, связанная с деятельностью человека – это проблема экологическая. Климат меняется по естественным причинам, и бороться с этим невозможно. Наклон оси изменить невозможно, даже совместными усилиями стран, подписавших Парижское соглашение по климату. К изменениям климата и его последствиям можно только адаптироваться заблаговременно на основе прогнозов, которые основаны на реальных факторах изменения климата. С проблемами загрязнения атмосферы, водных и земельных ресурсов можно и нужно бороться. 

Кстати, добавлю, что на основе регрессионной модели, используя инсоляционную контрастность как предиктор, мы спрогнозировали изменение содержания CO2 в атмосфере, поскольку оно связано с ростом ТПО и, как следствие, уменьшением растворимости углекислого газа в океане. То есть, увеличение содержания СО2 в атмосфере является не причиной, а следствием повышения ТПО. Согласно этой модели, содержание CO2 в атмосфере к середине XXI века (2050 г.) увеличится приблизительно на 16% относительно 2015 года – года принятия Парижского соглашения по климату. И это совершенно независимо от того, что будет предприниматься в соответствии с Парижским соглашением, поскольку содержание антропогенного СО2 (которое, собственно, собираются регулировать) составляет около 1% от общего содержания СО2 в атмосфере.

Разделение по генезису климатических и экологических проблем позволит эффективнее адаптироваться к одним и решать другие.

Литература

  1. Кондратьев К.Я., 1992. Глобальный климат. Наука, Санкт-Петербург.
  2. Монин А.С., Берестов А.А., 2005. Новое о климате. Вестник Российской академии наук, Том 75, № 2, с. 126–138.
  3. Монин А.С., Шишков Ю.А., 1979. История климата. Гидрометеоиздат, Ленинград.
  4. Монин А.С., Шишков Ю.А., 2000. Климат как проблема физики. Успехи физических наук, Том 170, № 4, с. 419–445, https://doi.org/10.3367/UFNr.0170.200004d.0419.
  5. Сидоренков Н.С., 2002. Атмосферные процессы и вращение Земли. Гидрометеоиздат, Санкт-Петербург.
  6. Федоров В.М., Кононова Н.К., 2015. Солнечная радиация, приходящая на верхнюю границу атмосферы и изменчивость циркуляционных процессов в Северном полушарии. Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, № 576, с. 183–200.
  7. Федоров В.М., Костин А.А., 2019. Вычисление инсоляции Земли для периода от 3000 г. до н.э. до 2999 г. н.э. Процессы в геосредах, № 2(20), с. 254–262.
  8. Федоров В.М., 2018. Солнечная радиация и климат Земли. Физматлит. Москва.
  9. Шулейкин В.В., 1953. Физика моря, 3-е изд., перераб. и доп. Изд-во АН СССР, Москва.
  10. Фёдоров В.М. Политика в области климата и вопросы национальной безопасности Российской Федерации // «Политика и общество», №12/2017, с. 80-89. DOI: 10.7256/2454-0684.2017.12.24888.
  11. Шрайбер В.М. Из истории исследований парникового эффекта земной атмосферы // «Биосфера», 2013, т.5, №1, с.37-46.
  12. Имбри Дж., Имбри К.П. Тайны ледниковых эпох. М., «Прогресс», 1988 г., 264 с.
  13. Ephemerides. URL: https://ssd.jpl.nasa.gov/?ephemerides .
  14. Fedorov V.M., Kostin A.A. Calculation of Solar Radiation Arriving to the Outer Fringe Based on Astronomical Ephemerides DE 406 // Solar Radiation and Climate of the Earth, 2015. URL: http://solar-climate.com/en/ensc/kost.htm .
  15. Федоров В.М., Голубев В.Н., Фролов Д.М. Многолетняя изменчивость инсоляции Земли и содержания двуокиси углерода в атмосфере // Жизнь Земли. Т. 40, №1/2018, с.12-21.
  16. Пальмен Э., Ньютон Ч. Циркуляционные системы атмосферы. Под. ред. С.П. Хромова – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1973 – 615 с.: ил.
  17. Фёдоров В.М. Североатлантическая осцилляция и КМО. URL: http://solar-climate.com/geo/amo.htm.

References

  1. Kondrat’ev K.YA., 1992. Global’nyj klimat. Nauka, Sankt-Peterburg.
  2. Monin A.S., Berestov A.A., 2005. Novoe o klimate. Vestnik Rossijskoj akademii nauk, Tom 75, № 2, s. 126–138.
  3. Monin A.S., SHishkov YU.A., 1979. Istoriya klimata. Gid-rometeoizdat, Leningrad.
  4. Monin A.S., SHishkov YU.A., 2000. Klimat kak problema fiziki. Uspekhi fizicheskih nauk, Tom 170, № 4, s. 419–445, https://doi.org/10.3367/UFNr.0170.200004d.0419.
  5. Sidorenkov N.S., 2002. Atmosfernye processy i vrashchenie Zemli. Gidrometeoizdat, Sankt-Peterburg.
  6. Fedorov V.M., Kononova N.K., 2015. Solnechnaya radiaciya, prihodyashchaya na verhnyuyu granicu atmosfery i izmenchi-vost’ cirkulyacionnyh processov v Severnom polusharii. Trudy Glavnoj geofizicheskoj observatorii im. A.I. Vo-ejkova, № 576, s. 183–200.
  7. Fedorov V.M., Kostin A.A., 2019. Vychislenie insolyacii Zemli dlya perioda ot 3000 g. do n.e. do 2999 g. n.e. Proces-sy v geosredah, № 2(20), s. 254–262.
  8. Fedorov V.M., 2018. Solnechnaya radiaciya i klimat Zemli. Fizmatlit. Moskva.
  9. Shulejkin V.V., 1953. Fizika morya, 3-e izd., pererab. i dop. Izd-vo AN SSSR, Moskva.
  10. Fyodorov V.M. Politika v oblasti klimata i voprosy nacional’noj bezopasnosti Rossijskoj Federacii // «Po-litika i obshchestvo», №12/2017, s. 80-89. DOI: 10.7256/2454-0684.2017.12.24888.
  11. Shrajber V.M. Iz istorii issledovanij parnikovogo ef-fekta zemnoj atmosfery // «Biosfera», 2013, t.5, №1, s.37-46.
  12. Imbri Dzh., Imbri K.P. Tajny lednikovyh epoh. M., «Progress», 1988 g., 264 s.
  13. Ephemerides. URL: https://ssd.jpl.nasa.gov/?ephemerides .
  14. Fedorov V.M., Kostin A.A. Calculation of Solar Radiation Ar-riving to the Outer Fringe Based on Astronomical Ephemerides DE 406 // Solar Radiation and Climate of the Earth, 2015. URL: http://solar-climate.com/en/ensc/kost.htm .
  15. Fedorov V.M., Golubev V.N., Frolov D.M. Mnogoletnyaya izmenchivost’ insolyacii Zemli i soderzhaniya dvuokisi ug-leroda v atmosfere // ZHizn’ Zemli. T. 40, №1/2018, s.12-21.
  16. Pal’men E., N’yuton CH. Cirkulyacionnye sistemy atmosfe-ry. Pod. red. S.P. Hromova – Leningrad: Gidrometeoizdat, 1973 – 615 s.: il.
  17. Fyodorov V.M. Severoatlanticheskaya oscillyaciya i KMO. URL: http://solar-climate.com/geo/amo.htm.