Изменения климата являются одной из главных проблем, стоящих перед человечеством. В течение последних десятилетий заметно изменились температурный и гидрологический режим и циркуляция атмосферы, характеристики погоды, частота и интенсивность экстремальных гидрометеорологических явлений. Вместе с этим происходит рост уровня мирового океана, сокращение площади арктических морских льдов, снежного покрова, зоны распространения и сезонной глубины протаивания многолетнемёрзлых грунтов. Такие изменения вызывают серьёзную обеспокоенность и требуют совместных усилий научного сообщества и государств для понимания причин изменений климата и принятия мер для адаптации и предотвращения опасных последствий. С начала 1990-х гг. под эгидой ООН работает Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change), объединяющая ведущих учёных в этой области и примерно раз в 5-7 лет обобщающая знания в области изменений климата в серии докладов.
Изменения приповерхностной температуры
С начала XX в. глобальная температура выросла примерно на 0,85°С (рис. 1). Это увеличение не было равномерным. За так называемым потеплением начала века, достигшим максимума в 1940-х годах, последовало некоторое похолодание, вновь сменившееся положительным температурным трендом с 1970-х. Затем потепление ускорилось, и до начала XXI в. температура выросла почти на 0,6°С. По результатам анализов годичных колец деревьев, кораллов, характеристик донных отложений, ледяных кернов можно восстановить аномалии температуры северного полушария до начала инструментальных наблюдений. Такие реконструкции указывают на то, что климат начала XXI в. характеризуется самой высокой температурой за последнее тысячелетие, а темпы роста температуры – беспрецедентно высоки.
При глобальном потеплении нагрев планеты происходит неравномерно. Быстрее всего увеличивается температура в высоких широтах северного полушария и в Арктике. Это явление получило название «арктического усиления». На рис. 1 показаны аномалии приземной температуры в Арктике (к северу от 60° с.ш.) и в среднем по планете. Если с 1880 г. по 2015 гг. рост глобальной приземной температуры составил 0,85 °С (в северном полушарии – около 1°С), то в Арктике температура выросла на 2,5 °С, то есть почти в три раза больше. Более высокие темпы изменений климата в Арктике являются следствием ряда фундаментальных физических законов динамики земной климатической системы и делают арктический регион важнейшим индикатором, «лакмусовой бумагой» глобальных климатических изменений. Рис. 1 также иллюстрирует важную особенность эволюции температуры в XX веке – потепление середины XX в., достигшее максимальных значений именно в Арктике и произошедшее в период 1900-1940-х гг. при относительно небольшом росте концентраций парниковых газов в атмосфере. Это указывает на роль других факторов в формировании изменений климата высоких широт северного полушария, в том числе фактора естественных – не вызванных внешним воздействием – колебаний климата.
Вопрос о том, является ли современное потепление в Арктике беспрецедентным, зависит от рассматриваемого периода истории климата Земли. Если ограничиться последним ледниковым циклом с максимумом оледенения примерно 20-25 тыс. лет назад, то после его окончания и быстрого таяния ледников и роста температуры 10-12 тыс. лет назад, температуры в Арктике около 6 тыс. лет назад во время максимума Голоцена (так называется межледниковый период, к которому относится и современный исторический период) были, возможно, несколько выше современных. Если рассматривать последние 1000 лет, то аномалии температуры в начале XXI века с большой вероятностью являются максимальными. Но следует отметить, что современное потепление превысило максимум потепления XX века в середине 1940-х гг. лишь в начале XXI века. Также, как видно из рис. 1, темпы потепления в 1920-30-х гг. в Арктике были не ниже современных. Всё это указывает на вклад естественных собственных колебаний климата в Арктике на временном масштабе 60-70 лет, о чём говорят и продолжительные наблюдения за климатом Арктики сотрудников Арктического и Антарктического НИИ.
Такая цикличность предполагает, что в ближайшие десятилетия потепление в Арктике может смениться похолоданием. С другой стороны, усиливающееся антропогенное воздействие и ряд необратимых процессов в арктической климатической системе могут изменить ход естественных циклов, и потепление в Арктике продолжится в XXI веке. Об этом говорят и результаты моделей климата.
Арктические морские льды
Важнейшую роль в динамике земной климатической системы играют арктические морские льды вместе с ледниками и снежным покровом. При этом в настоящее время площадь распространения арктических морских льдов является, пожалуй, самым надёжным и достоверным индикатором климатических изменений. Если измерения температуры на метеорологических станциях в высоких широтах характеризуются существенными пропусками, то распространение морских льдов с 1978 г. с большой точностью регистрируется непрерывным спутниковым зондированием с использованием микроволновых радиометров. Эти данные свидетельствуют о стремительном сокращении площади распространения арктических морских льдов (рис. 2). Летом эта площадь сокращается примерно на 13% в десятилетие, начиная с 1979 г. В 2012 г. площадь распространения морских льдов в Арктике установила рекордный минимум в 3,4 млн км2 (до сих пор не превзойдённый), то есть сократилась практически в два раза по сравнению со средним за предшествующий период значением. Если тенденция последнего десятилетия (ускоренное сокращение площади морских льдов) продолжится, то уже через 15-20 лет арктический ледяной покров станет сезонным.
Зимой изменения менее выражены и не превышают 2,1% за десятилетие, но даже небольшое сокращение площади морских льдов в холодный период приводит к огромным изменениям потоков тепла из океана в атмосферу вследствие сильных температурно-влажностных контрастов в приповерхностном слое атмосферы над арктическими морями и большой скорости ветра. Эти потоки достигают 1 кВт на квадратный метр на площади в тысячи квадратных километров. Это приводит к большим аномалиям нагрева нижнего слоя атмосферы и влияет на её циркуляцию, из-за чего много десятилетий назад метеорологи назвали Арктику «кухней погоды».
Рис. 2. Аномалия распространения льда (%) за период с 1979 по 2000 гг. в марте (наверху) и в сентябре (внизу) по данным спутниковых наблюдений (рис. 1 из статьи Иванов и др., 2013, журнал Исследования Земли из Космоса).
Сентябрь:
Март:
Рис. 3. Концентрация морских льдов (в %) в сентябре и марте в 1983 г. (слева), 2012 г. (в центре) и разность концентраций (2012 г. – 1983 г., справа) по спутниковым данным микроволнового зондирования Nimbus-7 SMMR и DMSP SSM/I-SSMIS (Рисунок выполнен Шукуровым К.А. (Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН). Сине-бело-голубая палитра соответствует концентрации морских льдов от 0% (синий) до 100% (белый). Красно-чёрная палитра соответствует изменениям концентрации от – 100% (красный – полное исчезновение льдов) до 100%.
Масштаб произошедших изменений распространения морских льдов в Арктике можно оценить на рис. 3, где показана концентрация морских льдов: доля покрытия участков поверхности размером 25х25 км, сканируемых спутниковыми радиометрами, в марте и сентябре 1983 г. и 2012 г. (год рекордного летнего минимума), а также разность концентраций за тридцатилетний период в эти же месяцы. Видно, что летом 2012 г. морские льды наблюдались, как правило, лишь к северу от 83° с.ш., а сплочённость льда даже у Северного полюса снижалась до 60-70%. Сибирские моря и море Бофорта были свободны ото льда. Для специалиста такие изменения указывают на роль не только антропогенного воздействия, но и динамики ледовых полей – усиления выноса морских льдов из Северного Ледовитого океана через пролив Фрама.
Движение морских льдов в Арктике имеет устойчивую циркуляционную структуру с антициклоническим круговоротом в море Бофорта и переносом льдов в направлении полюса из сибирских морей, формирующих так называемый Трансполярный перенос: от восточных регионов сибирского шельфа через полюс в пролив Фрама. Аномальная атмосферная циркуляция путём усиленного выноса льда через пролив Фрама и притока относительно тёплого воздуха с материка способствовала достижению минимальных значений площади морских льдов летом 2012 г.
Зимой и в марте основное сокращение концентрации льдов происходит в Охотском море и атлантическом секторе Арктики, главным образом – в восточной части Баренцева моря. Это говорит о роли океанического притока тепла в Баренцево море – одной или двух ветвей океанического течения, с которым тёплая атлантическая вода поступает в Северный Ледовитый океан – в формировании отрицательных аномалий площади морских льдов в конце XX – начале XXI вв.
Сентябрь Март
Рис. 4. Площадь арктических морских льдов (в 10 млн км2) в марте (справа) и сентябре (слева) по данным наблюдений (толстая красная линия) и климатических моделей CMIP5. Индивидуальные модели представлены тонкими цветными кривыми, средние по ансамблю значения обозначены толстыми чёрными кривыми. Серая заливка показывает 90% доверительный интервал. Временные ряды сглажены пятилетним скользящим осреднением. (рис. 4 из статьи Семенов и др., 2017, журнал Лёд и Снег). CMIP5 (coupled model intercomparison project) – 5-я фаза международного проекта по сценарному расчёту климата XXI в., составляющая основу пятого оценочного доклада IPCC в 2014 г.
Размер вклада антропогенного воздействия в современные изменения площади морских льдов в Арктике оценивается примерно от 50% до 70%. В течение XXI в. все модели климата (более 30), участвующие в международной программе сравнения моделей климата CMIP5, показывают дальнейшее сокращение площади морских льдов при антропогенном воздействии на климат. Режим сезонно свободной ото льда Арктики практически во всех моделях CMIP5 наступает к концу XXI в., при этом большинство специалистов прогнозируют полное исчезновение льда летом уже к середине XXI в. Тем не менее, неопределённость проекций климатических изменений в XXI в. остаётся довольно высокой. К тому же изменения в зимний период, согласно прогнозам специалистов, не столь значительны – к концу XXI в. ожидается сокращение площади морских льдов примерно на 40%.
Причины ускоренных изменений климата в Арктике
Усиление колебаний климата в Арктике – полярное усиление – связано с наличием ряда положительных обратных связей в системе атмосфера–морской лёд–океан. Положительная обратная связь – это цепь процессов в климатической системе, которые при некоем внешнем воздействии или внутренней флуктуации ведут к изменениям системы, вызывающим дальнейшее увеличение воздействия или флуктуации. Пример положительной обратной связи, который мы все знаем, – это усиливающийся свист при близком расположении микрофона к динамику, транслирующему его звук через усилитель.
Как уже ранее отмечалось, важнейшей положительной обратной связью в высоких широтах СП является связь между альбедо и температурой. Альбедо – это отражательная способность поверхности, меняющаяся в диапазоне от 1 (полное отражение солнечной радиации) до 0 (полное поглощение). Альбедо покрытого снегом льда достигает 0,9, в то время как альбедо океана составляет 0,06, а для различных типов суши меняется от 0,1 (хвойный лес), 0,2 (трава) до 0,4 (песок пустыни). Таким образом, при уменьшении площади льда в океане и снега на суше поверхность поглощает больше солнечной радиации и нагревается сильнее. Увеличение температуры приводит к ещё более сильному таянию льда и снега и т.д. Таким образом, наличие снежного и ледяного покрова всегда усиливает температурные изменения. Следует отметить, что характеристики такого усиления (временной масштаб, интенсивность) зависят от процессов теплопроводности в деятельном (принимающем участие в теплообмене) слое поверхности. Поскольку положительная связь альбедо-температура связана с потоком солнечной радиации, она относится к радиационным обратным связям.
К радиационным процессам, усиливающим потепление в Арктике, относится эффект, связанный с изменением температуры воздуха с высотой – температурным градиентом в атмосфере. Если в тропиках нагрев у поверхности приводит к прогреву всей толщи тропосферы, ослаблению температурного градиента и более сильному увеличению уходящей длинноволновой радиации (отрицательной обратной связи, ослабляющей потепление у поверхности), то в Арктике нагрев поверхности приводит к нагреву лишь нижней части тропосферы, увеличению температурного градиента и более слабому потоку уходящей длинноволновой радиации при том же увеличении температуры поверхности, что и в тропиках. Это требует более сильного нагрева поверхности, чем в тропиках, для компенсации радиационного воздействия, связанного с увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере.
Ещё один радиационный эффект, приводящий арктический климат к более сильным, чем в низких широтах, температурным изменениям при одинаковом внешнем воздействии, – это так называемый эффект Планка. Тепловое излучение поверхности Земли пропорционально четвёртой степени температуры. Поэтому для компенсации одного и того же радиационного дисбаланса (парникового эффекта) при более высокой температуре потребуется меньшее потепление, чем при низкой температуре.
Помимо радиационных обратных связей существуют и положительные обратные связи, вызванные динамикой атмосферы, океана и морского льда. Примером такой связи может служить положительная обратная связь между океаническим притоком в Баренцево море и морским льдом. Усиление притока приводит к сокращению площади льда, усилению потока турбулентного тепла из океана в атмосферу, формированию циклонической циркуляции на севере моря, что усиливает юго-западные ветра в западной оконечности моря и, соответственно, приводит к ещё более сильному океаническому притоку. Такая обратная связь может объяснить потепление середины XX в. и способствовать увеличению амплитуды современного потепления.
Последствия изменений климата в Арктике: условия навигации по Северному морскому пути
Изменения климата в Арктике уже приводят к значительным экологическим (воздействие на экосистемы, прежде всего, вследствие сокращения площади и толщины морских льдов, деградации «вечной мерзлоты», распада придонных метангидратов), экономическим (в том числе увеличение продолжительности и снижение стоимости сезонной морской навигации, доступность новых шельфовых зон для добычи углеводородных ресурсов) и даже геополитическим последствиям (спор о границах континентальных шельфовых зон) для России.
Одно из значимых положительных последствий изменений климата в Арктике – облегчение условий навигации по Северному морскому пути. Для интенсивной разработки арктических шельфовых месторождений нефти и газа, а также для развития арктических регионов России морская навигация по Севморпути является основным и часто единственным транспортным сообщением. Дистанция по Севморпути между Северо-восточной Азией и Северной Европой примерно в два раза короче, чем по традиционным морским трассам, проходящим через Суэцкий или Панамский каналы. В перспективе это делает Севморпуть альтернативной морской трассой для основного грузопотока между Европой, Северной Америкой и Азией. Используя данные спутниковых наблюдений за последние 35 лет, а также расчёты с климатическими моделями, можно оценить влияние сокращения распространения морских льдов на навигацию в настоящем и будущем. Такие оценки приведены на рис. 5, где показаны даты открытия и закрытия морской навигации по трассе Севморпути в XXI в. при «агрессивном» сценарии антропогенного воздействия на климат RCP8.5 (отсутствие мер по снижению выбросов парниковых газов) и «мягком» сценарии RCP4.5, предусматривающем сокращение выбросов. Видно монотонное увеличение срока навигации, при этом дата закрытия быстрее сдвигается на более позднее время, чем дата открытия – на более раннее. В целом для наиболее успешных климатических моделей увеличение периода навигации к концу XXI в. составляет 4 и 6,5 месяцев для сценариев антропогенного воздействия RCP4.5 и RCP8.5 соответственно.
Рис. 5. Даты открытия и закрытия морской навигации по трассе Севморпути в XXI в. (критерий – 80% трассы свободной ото льда) по данным моделей климата (чёрные кривые) при умеренном сценарии антропогенного воздействия на климат RCP4.5 (а) и агрессивном сценарии RCP8.5 (б). Серая заливка показывает неопределённость модельных расчётов. Синие кривые – данные спутниковых наблюдений (рис. 4 из статьи Khon et al., 2017, журнал Environmental Research Letters).
Приведённые результаты показывают, что современные методы мониторинга и моделирования процессов изменения климата позволяют делать оценки важных для экономики характеристик в будущем и в целом учитывать фактор климатических изменений при долгосрочном планировании устойчивого развития арктических регионов.
Автор: Владимир Анатольевич Семёнов, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова, Институт географии РАН.
