Чего можно добиться, управляя облаками
Глобальное потепление, водяной пар как основной парниковый газ и облака: можем ли мы ими управлять?
Фото Сергей Карпухин GeoPhoto
Парниковый эффект.
Тема глобального потепления и возможности влияния на него вызывает огромный интерес. Жара, ливни, наводнения, лесные пожары стали частью повседневности. Угроза таяния вечной мерзлоты вполне реальна, затем можно ожидать катастрофические изменения ландшафтов. Можно ли как-то управлять климатом? Некоторые специалисты сегодня изучают возможность "вновь заморозить Арктику" путем образования облачного покрова в течение полярного лета. Он должен будет отражать солнечные лучи, так что полярные льды и вечная мерзлота, поднакопив за зиму холод, сохранят его и летом. Попробуем разобраться в этом.
Действительно, «скептики потепления», которые договариваются до того, что учёные придумали «глобальное потепление», чтобы привлечь к себе внимание и заработать, отрицают влияние человека на климат или приуменьшают его. Но много ли зарабатывают учёные? Едва ли сравнимо с владельцами угольных шахт, металлургических и автомобильных заводов. Вот у последних, действительно, есть деньги, чтобы нанять талантливых журналистов, способных не оставить от теории антропогенного потепления камня на камне. В самом деле: и среди специалистов есть те, кто ставит под сомнение важность изменения климата, утверждая, например, что сокращение выбросов двуокиси углерода (СО2) в атмосферу будет иметь незначительный эффект, поскольку основным парниковым газом, вносящим наибольший вклад в парниковый эффект, является водяной пар. И это правда. Но если так, нужно ли беспокоиться по поводу СО2 и метана (СН4), о которых все говорят?
Парниковый эффект заключается в том, что некоторые газы в атмосфере Земли, такие как водяной пар СО2 и метан, а также другие, менее распространённые, поглощают инфракрасное излучение Земли, а затем вновь излучают, в том числе нагревая поверхность планеты (см. рисунок заставки).
Это приводит к тому, что средняя температура поверхности примерно на 33°С больше той (называемой иногда «эффективной температурой»), которая была бы при отсутствии этого эффекта. Если бы не парниковый эффект, средняя температура на Земле составляла бы около −18°С. Мы бы жили как на Марсе! Вернее, едва ли бы жили вовсе, а жизнь, возможно, никогда бы не возникла на нашей планете. Действительно, именно водяной пар и, в том числе, содержащие его облака играют главную роль в парниковом эффекте, обеспечивая в нём примерно 60%. При чем тут СО2? Дело в том, что на Земле сформировался некоторый тепловой и водный баланс, который мы сейчас нарушаем, добавляя в атмосферу другие парниковые газы – углекислый газ и метан -- и тем самым повышая температуру Земли. Кстати, в Арктике потепление происходит быстрее именно потому, что в холодном арктическом воздухе влаги меньше, и добавка СО2 там оказывается сравнительно большей в общем содержании парниковых газов. Затем водяной пар реагирует на изменение температуры через испарение, конденсацию и выпадение дождя и снега. Приводит ли это к повышению его концентрации и ускорению парникового эффекта? Непростой вопрос.
Если с повышением температуры концентрация водяного пара в атмосфере Земли растёт, возникает положительная обратная связь. Именно так, как показывают многие исследования, и происходит. Это означает, что при сценарии увеличения, например, концентрации СО2 в два раза (сейчас примерно полтора) по сравнению с доиндустриальным периодом, водяной пар и облака приводят к заметному росту средней температуры Земли, причём вклад водяного пара примерно в три раза превышает долю других парниковых газов. Человек не в состоянии заметно влиять на объём водяного пара в атмосфере, потому что вода находится везде, покрывая более 70% поверхности Земли. Поэтому мы должны делать то, что можем, а именно -- ограничить выбросы парниковых газов, прежде всего СО2, вклад которого в парниковый эффект иногда достигает почти 30%. Водяной пар важен ещё и потому, что является источником гидроксильного радикала, который разрушает озон – газ, спасающий нас от крайне опасного для всего живого ультрафиолетового излучения Солнца.
В последние десятилетия наблюдается увеличение концентрации водяного пара в атмосфере. Пока неясны детали этого процесса. Данные о водяном паре отличаются по различным исследованиям, что говорит о неопределённости в измерениях, а также о недостаточном понимании процессов переноса воды. Они также свидетельствуют о необходимости повышать точность наблюдений за водяным паром. Сегодня работе систем наблюдений мешают ограниченная продолжительность работы спутников, недостаточное пространственно-временное распространение аэростатных и наземных измерений. Так, в мире лишь в Боулдере, штат Колорадо, имеются ряды аэростатных измерений водяного пара за более чем тридцать лет. Глобальное распределение водяного пара в тропосфере и стратосфере до сих пор плохо изучено из-за недостатка наблюдений.
Изменение концентрации стратосферного водяного пара над Боулдером (Колорадо, США) по данным Hurst и др. (2011).
Роль концентрации водяного пара в целом понятна. При её увеличении растёт парниковый эффект, который, в свою очередь, приводит к ещё большему росту концентрации водяного пара. Однако в роли облаков нужно разбираться. По одним климатическим моделям, облака увеличивают потепление, по другим -- они имеют нейтральный эффект или уменьшают его. В моделях, где облака усиливают потепление, критический температурный уровень достигается при меньших выбросах СО2 (красные пунктирная линия и стрелка). Там, где облака имеют нейтральный или демпфирующий эффект, возможен больший объём выбросов СО2 (синие пунктирная линия и стрелка):
Сценарии влияния облаков на глобальное потепление. Критический уровень температуры определяется возможностью относительной адаптации человека и природной среды к изменению климата. По некоторым оценкам, он соответствует 1,5 °C выше доиндустриальных уровней.
Низкие, мощные облака представляют собой своеобразный зонтик, отражая солнечный свет обратно в космос, способствуя охлаждению поверхности Земли. Напротив, высокие и тонкие облака отражают мало света, пропуская его к поверхности планеты, и потому действуют в основном как одеяло, согревая Землю за счёт парникового эффекта. Как правило, чем выше облако, тем эффективнее оно перехватывает инфракрасное излучение. И чем больше мощность облака, тем лучше оно отражает солнечный свет, препятствуя его попаданию на Землю. При этом низкие толстые облака дают сравнительно небольшой парниковый эффект. В атмосфере Земли заметно больше низких толстых облаков, поэтому преобладает эффект зонтика, то есть облака в целом охлаждают Землю.
Глобальное потепление, конечно, вызовет изменения в облачном покрове. Изменится высота и мощность облаков, а также баланс между зонтичным (охлаждающим) и парниковым (отепляющим) эффектами. Имеющиеся данные свидетельствуют, что общая обратная связь облаков, скорее всего, положительная, то есть будет усиливаться потепление (Norris & Weaver, 2001). Но не всё так однозначно.
При потеплении облака могут иметь и охлаждающий эффект, если количество облаков на малой высоте будет увеличиваться или количество высотных облаков уменьшается. Неопределённость обратной связи облаков обусловлена в основном с изменениями облачности вблизи экватора (Hartmann & Larson, 2002; Jiang et al., 2015). За последние тридцать лет наблюдалось, в частности, появление в тропиках низких облаков, которые охлаждают планету. Причём их стало больше, чем раньше (Zhou et al., 2016). Однако влияние облаков на климат планеты, по-видимому, меняется в зависимости от особенностей атмосферы в разных регионах. Так что, скорее всего (Ceppi & Nowack, 2021), покров низких облаков в тропиках всё-таки будет уменьшаться при повышении температуры, снижая их эффект зонтика. Высокие облака будут подниматься выше, увеличивая парниковый эффект.
Различия в действии облаков на температуру поверхности Земли.
К сожалению, в климатических моделях много упрощений, поэтому точная картина, что будет происходить с облаками, не совсем ясна. Пока ясно, что Земля будет, очевидно, продолжать дальше нагреваться из-за увеличения содержания в атмосфере углекислого газа. Модели довольно точно это предсказывают. Даже если сейчас начать сокращать выбросы, к середине столетия глобальная температура увеличится примерно на 1.5ºС, а к его концу может подняться на 4ºС.
Изменение температуры поверхности Земли (IPCC Sixth Assessment Report, 2021).
Сравнение наблюдаемой и расчётной температуры поверхности Земли (IPCC Sixth Assessment Report, 2021).
Можем ли мы искусственно увеличить покров низких облаков и затормозить таким образом потепление? Такие идеи сейчас высказываются. Облака – взвесь водяных капель и кристаллов льда в атмосфере. Соотношение воды и льда зависит, прежде всего, от температуры. Облака образуются в результате конденсации воды или десублимации при насыщении воздуха водой. Пересыщенный влагой воздух – довольно частое явление. Условия для образования облаков возникают, если в воздухе растёт содержание воды (например, за счёт испарения) или понижается температура. Обычно это наблюдается при подъёме насыщенного паром воздуха в атмосфере или при смешивании тёплых воздушных масс с более холодными. Это естественные процессы, в которые вовлекаются огромные массы воды, многие тысячи и миллионы тонн.
Люди давно научились вызывать искусственный дождь, который возникает при стимуляции процесса кристаллизации -- например, путём введения ядер кристаллизации или создания локальных зон с пониженной температурой. В 1946 г. В. Шефером был обнаружен эффект действия твёрдой углекислоты (сухого льда) на переохлаждённую воду, а в 1947 году научились использовать частицы йодистого серебра (AgI) в качестве центров кристаллизации. Например, засев облаков иодидом в 1960-х годах практиковала американская армия, чтобы продлить дождливый сезон во Вьетнаме. Эксперимент по очистке загрязнённого аэрозолями и пылью воздуха в Китае с помощью засева облаков иодидом серебра провела Южная Корея. Но можно ли вызвать образование самих облаков?
Пролетающие на большой высоте самолёты отвечают на этот вопрос. За ними часто тянется инверсионный (конденсационный) след -- по сути, искусственные облака, которые образуются из пересыщенных паров в результате кристаллизации воды. К атмосферному водяному пару добавляется пар, содержащийся в отработанных газах авиационного двигателя. По мере остывания газов водяной пар конденсируется. Ещё одна причина появления следа заключается в понижении температуры воздуха из-за падения его давления над крылом самолёта. Однако практически такое образование облаков едва ли имеет значение. Более того: такие облака, скорее всего, увеличивают парниковый эффект (Bock & Burkhardt, 2019).
Конвекция в атмосфере для образования облаков может быть интенсифицирована искусственно. Возможность увеличения конвекции с целью роста вертикальной мощности облака существует при засеве переохлаждённой части облака льдообразующими реагентами. Другой возможностью является горизонтальное перераспределение облаков с целью сведения соседних облаков воедино путём засева одного из них, что увеличивает возможности их вертикального развития. Искусственное инициирование движений воздуха внутри облака может производиться с помощью двигателей вертолётов или самолётов. Другой путь состоит в сбросе в вершину облака дисперсных порошков, чаще всего цемента или талька. Можно пробовать управлять облакообразованием, добавляя влаги в атмосферу с помощью специальных установок, или распылять в атмосфере сухой лёд, понижая её температуру. Однако, при несомненной теоретической возможности такого воздействия, едва ли люди способны к масштабным воздействиям на атмосферу, чтобы изменить климат. Ведь потребуются тысячи и миллионы тонн воды и реагентов, чтобы распространить эффект на большие территории. Препятствиями станут, по-видимому, ресурсы.
Китайская аэрокосмическая научно-техническая корпорация, как сообщают СМИ, установила тысячи горелок у Тибетского плато, которые будут сжигать топливо, насыщая воздух йодидом серебра. Это должно будет конденсировать водяной пар, образуя облака, из которых будут выпадать дожди, орошая засушливые земли. Однако это пока эксперимент. Недавно появился метод создания искусственных облаков с помощью луча лазера. Но для этого воздух должен быть насыщен водяными парами.
Сегодня климатическая инженерия развивается. Возможно, перспективной технологией является распыление с воздушных шаров или самолётов безвредных аэрозолей, задерживающих солнечное излучение. Действительно, извержения вулканов приводят к падению температуры. Известен пример вулкана Пинатубо на острове недалеко от Манилы, когда в 1991 г. выброшенный пепел привёл к тому, что температура Земли два года была ниже нормы на полградуса. Правда, аэрозоли и пыль загрязняют атмосферу, а в некоторых местах на Земле это и без того серьёзная проблема. Можно пробовать отклонять от Земли часть солнечного излучения, например, с помощью космического зеркала, или стратосферного светоотражающего аэрозоля, состоящего из сульфатов или карбоната кальция. Однако и у этих проектов пока много теоретических и практических трудностей.
Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Литература:
Bock, L. and Burkhardt, U.: Contrail cirrus radiative forcing for future air traffic, Atmos. Chem. Phys., 19, 8163–8174, https://doi.org/10.5194/acp-19-8163-2019, 2019.
Bony, S., J-L. Dufresne, H. Le Treut, , J-J. Morcrette, , and C. Senior, 2004: On dynamic and thermodynamic components of cloud changes. Climate Dyn., 22 , 71–86
Ceppi P., Nowack P. Observational evidence that cloud feedback amplifies global warming Proceedings of the National Academy of Sciences Jul 2021, 118 (30) e2026290118; DOI: 10.1073/pnas.2026290118
Collins, W. D., and Coauthors, 2006: The Community Climate System Model version 3 (CCSM3). J. Climate, 19 , 2122–2143.
Hartmann, D. L., K. Larson, 2002: An important constraint on tropical cloud-climate feedback. Geophys. Res. Lett., 29 .1951, doi:10.1029/2002GL015835.
https://phys.org/news/2020-09-clouds-piece-climate-puzzle.html
Hurst, D. F., Oltmans, S. J., Vömel, H., Rosenlof, K. H., Davis,S. M., Ray, E. A., Hall, E. G., and Jordan, A. F.: Strato-spheric water vapor trends over Boulder, Colorado: Analysisof the 30 year Boulder record, J. Geophys. Res., 116, D02306,doi:10.1029/2010JD015065, 2011
IPCC Sixth Assessment Report, 2021. AR6 Climate Change 2021: The Physical Science Basis
Jiang, J. H., Su Н., Zhai С., Wu L., Minschwaner K., Molod A., Tompkins A.,, 2015: An assessment of upper troposphere and lower stratosphere water vapor in MERRA, MERRA2, and ECMWF reanalyses using Aura MLS observations, J. Geophys. Res. Atmos., 120, 11,468–11,485, doi:10.1002/2015JD023752.
Norris, J. R., C. P. Weaver, 2001: Improved techniques for evaluating GCM cloudiness applied to the NCAR CCM3. J. Climate, 14 , 2540–2550.
Observations of water vapour: N. Kämpfer (ed.), Monitoring Atmospheric Water Vapour, ISSI Scientific Report Series 10, DOI 10.1007/978-1-4614-3909-7, ©Springer Science+Business Media, LLC 2013
Probst, P., Rizzi, R., Tosi, E., Lucarini, V., and Maestri, T., 2012, "Total cloud cover from satellite observations and climate models" Atmospheric Research Vol. 107, pp 161, 01698095
Zhou, C., Zelinka, M. & Klein, S. Impact of decadal cloud variations on the Earth’s energy budget. Nature Geosci 9, 871–874 (2016). https://doi.org/10.1038/ngeo2828
