Препринт статьи принятой для публикации в журнал "Жизнь Земли"
http://zhiznzemli.mes.msu.ru/

МНОГОЛЕТНЯЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ИНСОЛЯЦИИ ЗЕМЛИ И СОДЕРЖАНИЯ
ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА В АТМОСФЕРЕ

В.М. Федоров, В.Н. Голубев, Д.М. Фролов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Введение

Солнце является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли. Солнце излучает энергию, которая обеспечивает Землю теплом и светом. Лучистая энергия Солнца является основным источником энергии гидрометеорологических, биохимических и многих других процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере, на земной поверхности. Энергия Солнца является важнейшим фактором развития жизни на Земле, обеспечивающим необходимые для жизни термические условия и фотосинтез. «Солнце – единственный источник тепла, достаточно сильный для того, чтобы оказывать значительное влияние на температуру поверхности земли и воздуха». А.И. Воейков [2].

Годовой приход солнечной радиации на верхнюю границу атмосферы Земли в среднем составляет 5,49 • 10²⁴ Дж.. Этот приход во времени не является постоянным, он подвержен межгодовым и многолетним (долгопериодическими и короткопериодическим) вариациям. Вариации приходящей к Земле лучистой энергии в основном определяются двумя причинами, имеющими различную физическую природу. Одной из причин является изменение активности в излучении Солнца. Другой причиной, определяющей изменение приходящей к Земле лучистой энергии, являются небесно-механические процессы, вызывающие изменения элементов земной орбиты (расстояние Земля - Солнце) и наклона оси вращения.

В перераспределении, приходящего от Солнца тепла в пространстве климатической системы Земли (в атмосфере и океане) участвуют механизмы межширотного теплообмена («тепловая машина первого рода»), теплообмена в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла («тепловая машина второго рода»), в системе океан – атмосфера и др. [13]. Важным фактором в регулировании термического режима Земли является состав атмосферы (прежде всего, содержание Н₂О), определяющий величину альбедо, роль парникового эффекта планеты и их изменение.

Парниковый эффект удерживает тепло получаемое нашей планетой от Солнца. При этом известно, что основным парниковым газом является водяной пар. Его содержание может достигать 4% в единице объема воздуха. Содержание СО₂ составляет всего 0,04%, при этом, менее 1% от этого составляет двуокись углерода, связанная с деятельностью человека [3, 4]. Таким образом, по объемному содержанию в атмосфере водяной пар почти на два порядка превосходит содержание двуокиси углерода (суммарно природного и антропогенного). Почти на четыре порядка содержание Н₂О в атмосфере превосходит содержание СО₂ связанного с деятельностью человека (антропогенного происхождения). Действительно, наша планета – водная. Мировой океан занимает 2/3 площади Земли. Это основной источник водяного пара в атмосфере. В высокогорных районах Земле развиваются ледники, а в полярных районах распространяются морские льды. На Земле существуют две ледниковые шапки (Антарктида и Гренландия), представляющие собой образования из Н₂О находящейся в твердой фазе. На снимках из космоса видно, что Земля покрыта облаками. И это прежде всего водяной пар (а не СО₂). Вода присутствует на Земле в трех фазовых состояниях. Переход из одного состояния в другое сопровождается процессами выделения или поглощения тепла. Таким образом, роль воды, льда и водяного пара в природе Земли (с учетом известного гидрологического цикла), в процессах теплообмена огромна. Климат – это состояние природной среды и оно, следовательно, также во многом связано с Н₂О, являющейся важнейшим компонентом окружающей природной среды.

В случае отсутствия солнечного излучения температура на Земле была бы близка к температуре окружающего Землю пространства (близка к абсолютному нулю или -273°С). Сейчас среднегодовая приповерхностная температура Земли составляет около +15°С. В случае, отсутствия у Земли атмосферы (при существующем притоке лучистой энергии), ее температура была бы ниже существующей на 39 град. и, составила бы -24°С (это теплее, чем в Антарктиде, но холоднее, чем в Арктике в настоящее время).

Таким образом, температурный режим Земли, в основном, определяется двумя природными факторами: приходящей от Солнца радиацией и парниковым эффектом планеты (при этом главным парниковым газом является водяной пар). Учитывая, что температура окружающего Землю пространства составляет -273°С и среднегодовая приповерхностная температура Земли около +15°С, приходящей от Солнца радиацией определяется приблизительно 86% тепла (249 град.), а парниковым эффектом планеты 14% (39 град.) [7].

Тем не менее многие исследователи (например, МГЭИК) называют в качестве основного фактора наблюдаемого потепления глобального климата увеличение содержания СО₂, связанного с деятельностью человека. Рассчитанные на основе климатических моделей прогнозы изменения климата ориентированы на предполагаемые сценарии выбросов СО₂ [18]. Эти представления составляют основу Парижских соглашений по климату и Климатической доктрины РФ. Однако, связь многолетней изменчивости инсоляции Земли и многолетней изменчивости содержания СО₂ исследована недостаточно. Для изучения этой связи нами используются ранее выполненные расчеты инсоляции Земли [7 – 12, 15].

Методика расчета инсоляции

Расчеты приходящей солнечной радиации выполнялись по данным астрономических эфемерид [14] для всей поверхности Земли (без учета атмосферы) в интервале с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. Исходными астрономическими данными для расчетов инсоляции были склонение и эклиптическая долгота Солнца, расстояние от Земли до Солнца, разность хода равномерно текущего (среднего солнечного) и всемирного корректируемого времени (истинного солнечного). Поверхность Земли аппроксимировалась эллипсоидом (GRS80 – Geodetic Reference System, 1980) с длинами полуосей равными 6378137 м (большие) и 6356752 м (малая). В общем виде алгоритм расчетов можно представить выражением:

(1)

где I – приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); – площадной множитель (м²), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал – площадь бесконечно малой трапеции – ячейки эллипсоида; – часовой угол, – географическая широта, выраженные в радианах; H – высота поверхности эллипсоида относительно поверхности Земли (м); – инсоляция в заданный момент в заданном месте поверхности эллипсоида (Вт/м²), t – время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года [8]. Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м² [11]. Изменение активности Солнца не учитывалось. По результатам расчетов сформирована общедоступная база данных приходящей солнечной энергии во все широтные зоны Земли (протяженностью в 5 градусов) за каждый астрономический месяц каждого года для периода от 3000 года до н.э. до 2999 года н.э. [15]. Эти данные использовались в качестве исходных значений инсоляции. В качестве исходных данных по многолетней изменчивости содержания СО₂ в атмосфере анализировались среднемесячные значения содержания СО₂ полученные в результате инструментальных измерений в районе Мауна-Лоа (за период с 1975 по 2015 гг.) размещенные на сайте Национального управления океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) [16]. Именно эти данные по многолетней изменчивости содержания СО₂ являются основной аргументацией и «доказательством» того, что изменение содержания СО₂, связанного с деятельностью человека является главной причиной изменения глобального климата Земли [5, 18]. При этом, предполагаемые сценарии изменения содержания СО₂ в атмосфере в связи с различными вариантами развития мирового промышленного производства составляют одно из условий климатического прогнозирования [18].

Результаты и их обсуждение

Анализ изменения содержания СО₂ в атмосфере показывает, что многолетняя изменчивость СО₂ на 99,4% определяется линейным трендом (рис. 1).

Рис. 1. Многолетняя изменчивость содержания двуокиси углерода в атмосфере [16] и линейный тренд.

Таким образом, определение причин многолетней изменчивости содержания СО₂ заключается в определении факторов с которыми связан тренд в изменчивости содержания СО₂.

Определено, что на интервале от 3000 лет до н.э. до 2999 лет н.э. приходящая к Земле за год солнечная радиация сократилась всего на 0,005%. В тоже время распределение приходящей за год радиации по широтным зонам изменяется более значительно (до 3%) [7, 10]. Поступление солнечной радиации в экваториальную область Земли в настоящее время (в диапазоне, по крайней мере, от 3000 лет до н.э. до 2999 лет н.э.) увеличивается, а в полярные области сокращается (рис. 2). То есть происходит увеличение широтной контрастности в солярном климата Земли (меридионального градиента инсоляции) и сглаживание сезонных различий. Следствием этого эффекта, является усиление межширотного теплообмена (между теплыми и холодными областями Земли – областями источника и стока тепла) как в атмосфере, так и в океане [10], то есть усиление работы «тепловой машины первого рода» [13].

Рис. 2. Изменение инсоляции Земли в интервале
с 3000 г. до н.э. по 2999 г. по широтным зонам (в % по отношению к средней для соответствующих широтных зон инсоляции).

Отмеченные изменения – тенденция усиления широтной контрастности и сглаживания сезонных различий в инсоляции Земли связана с вековой тенденцией уменьшения наклона оси вращения Земли (относительно перпендикуляра к плоскости эклиптики) в результате прецессии. Известно, что при увеличении угла наклона оси вращения увеличивается приход солнечной радиации в полярные районы, т.е. происходит сглаживание широтной контрастности в полушариях и усиление сезонных различий. При уменьшении угла наклона происходит увеличение радиации, поступающей в экваториальную область, уменьшение радиации поступающей в полярные районы и широтные контрасты возрастают, а сезонные различия сглаживаются [6].

Для анализа связи многолетней изменчивости содержания СО₂ с многолетней изменчивостью инсоляции Земли нами использовались два показателя (рис. 3): угол наклона Земли (определялся на основе астрономических эфемерид DE-406, [14] и инсоляционная контрастность (ИК). Для полушарий ИК рассчитывалась как разность солнечной радиации приходящей в область 0° – 45° и приходящей в область 45° – 90°. Для Земли принималось среднее по полушариям значение ИК.

Рис. 3. Изменение угла наклона оси вращения Земли (1) и инсоляционной контрастности – ИК (2).

Инсоляционная контрастность линейно связана с углом наклона оси вращения Земли (коэффициент корреляции R = -0,997). Изменение угла наклона и связанной с ним ИК определяется небесно-механическими процессами: планетной прецессией (тренд) и нутацией (19-ти летние вариации). Значения ИК и угла наклона сглаживались методом скользящего среднего по 21 году для исключения 19-ти летней вариации не проявляющейся в изменчивости содержания СО₂. Многолетняя изменчивость ИК в этом случае на 98,1% определяется линейным трендом (рис. 4).

Рис. 4. Многолетняя изменчивость ИК и ее линейный тренд.

Корреляционный анализ многолетней изменчивости содержания СО₂, ИК (рис. 5) и угла наклона оси вращения показывает, что связь между этими переменными близка к линейной. Значение R для содержания СО₂ в атмосфере и ИК составляет 0,988, для содержания СО₂ в атмосфере и угла наклона
-0,989.

Рис. 5. График уравнения линейной регрессии и линейная аппроксимация

Полученные линейный корреляционные связи стали основой для прогнозирования многолетней изменчивости содержания СО₂ на основе рассчитанных по инсоляции значений ИК [15]. Расчеты проводились на основе уравнений линейной и полиномиальной (полином второй степени) регрессии и последующего усреднения соответствующих значений содержания СО₂, то есть получались ансамблевые прогностические решения (рис. 6).

Рис. 6. Многолетняя изменчивость содержания СО₂ по данным [16] (с 1975 по 2015 гг.) и прогнозируемым (с 2016 по 2050 гг.) значениям.

Коэффициент корреляции фактических и рассчитанных значений содержания СО₂ составляет 0,988. Среднее по модулю расхождение фактических и рассчитанных по ансамблю линейных и полиномиальных решений составляет 2,631 ррm. Это всего 0,725% от среднегодового содержания СО₂ в период инструментальных измерений (1975 – 2015 гг.). По рассчитанному прогнозу увеличение содержания СО₂ в 2050 году относительно 2015 года составит 65,5 ppm. Таким образом, ожидаемое увеличение содержания СО₂ составит около 16,3% независимо от усилий стран участниц Парижского соглашения по климату. Это определяется тем, что менее 1% СО₂ в атмосфере имеет антропогенное происхождение, в то время как многолетняя изменчивость почти 99% содержащегося в атмосфере СО₂ регулируется многолетней изменчивостью ИК. Полученный по регрессионной модели прогноз содержания СО₂, таким образом, по своей определенности принципиально отличается от предполагаемых сценарных прогнозов МГЭИК [18].

Нами рассчитывалась дисперсия содержания СО₂ в рядах фактических значений (D₁) и в рядах разности фактических и рассчитанных (средних по ансамблю линейных и полиноминальных решений) значений содержания СО₂ (D₂). Затем находилось отношение дисперсии в соответствующих рядах разности фактических и рассчитанных значений содержания СО₂ и дисперсии фактических значений (DD₂/DD₁). Вычитанием из единицы полученных значений и затем умножением их на 100 были рассчитаны значения (в процентах) объясняемых регрессионной моделью изменений содержания СО₂ в атмосфере. В результате получено, что 97,7% многолетней изменчивости содержания СО₂ в атмосфере объясняется многолетней изменчивостью ИК в регрессионной модели.

Следует также отметить, что инсоляция рассчитывалась без учета атмосферы (а значит и содержания СО₂).

В результате проведенного анализа причины и механизм изменения глобального климата (его температурного режима) в связи с изменением инсоляции, схематично можно представить следующим образом. Приход инсоляции в экваториальную область (источник тепла) увеличивается, а в полярные районы (области стока тепла) сокращается [7, 10, 15]. То есть увеличивается инсоляционная контрастность между экватором и полюсами. Это приводит к усилению межширотного теплообмена (усилению работы «тепловой машины первого рода») [13]. Тепло переносится воздушными потоками (в основном вихревыми образованиями – фронтальными и тропическими циклонами) в области стока, где от этого повышается температура (явное тепло). Воздушные массы при этом могут охлаждаться, высвобождая и скрытое тепло за счет конденсации. Повышение температуры приводит к увеличению испарения и повышению содержания водяного пара (и других парниковых газов) в атмосфере [1]. Следствием этого является усиление парникового эффекта в областях стока тепла, что приводит к дополнительному повышению температуры. Кроме того, увеличение глобальной температуры в полярных районах определяется и положительными обратными связями, например, снижением альбедо из-за сокращения площади морских льдов в летний период [10, 15]. Усиление межширотного теплообмена происходит и в океане [7, 15].

В общепринятых в настоящее время представлениях о причинах изменения климата [18] основной из них считается многолетняя изменчивость содержания СО₂, связанная с деятельностью человека. Однако, как показывают наши исследования, многолетняя изменчивость ПТВ (приповерхностная температура воздуха) и ТПО (температура поверхности океана) на 68,3% определяется ИК, с учетом фаз 60-ти летнего колебания эти значения составляют 84,1% и 84,2% [7, 15]. Физической основой по которой ИК является причиной увеличения содержания СО₂ является то, что многолетней изменчивостью ИК определяется многолетняя изменчивость ТПО [7]. Следствием увеличения ТПО является уменьшение растворимости СО₂ в океане (и увеличение содержания СО₂ в атмосфере). Коэффициент корреляции содержания СО₂ в атмосфере и аномалии температуры поверхности океана [17] составляет 0,907. Согласно закону Генри – Дальтона, концентрация растворенного газа в воде и интенсивность газообмена атмосферы и океана зависят от парциального давления газа в атмосфере и его растворимости, которая снижается при повышении температуры (ТПО) и увеличении солености воды:

m_g= Cp_g

где m_g – молярная концентрация газа в воде, p_g – парциальное давление газа над раствором, C – константа растворимости газа [4].

Заключение

Таким образом многолетняя изменчивость содержания СО₂ в основном является результатом многолетней изменчивости ТПО, которая является следствием увеличения ИК определяемого уменьшением угла наклона оси вращения Земли. Многолетняя изменчивость содержания СО₂ является не причиной, а следствием изменения глобального климата, определяемого изменением наклона оси вращения Земли.

По рассчитанному прогнозу содержание СО₂ в 2050 году составит 446 ppm. Увеличение содержания СО₂ относительно 2015 года составит 65,5 ppm. Следовательно, ожидаемое увеличение содержания СО₂ в атмосфере составит 16,3% независимо от усилий стран участниц Парижского соглашения по климату.

Литература