Владимир Бышев
Аномальная жара летом 2010 года была перекрыта суровой зимой того же года. А это признак усиления континентальности климата.
Фото PhotoEXpress.ru
Одной из самых обсуждаемых тем, связанных с климатом Земли, является современное глобальное потепление, вызванное антропогенным фактором. Качественная физическая суть этого явления очень проста: в результате промышленной деятельности человечества в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа (СО2). Последний играет роль стекла или полиэтиленовой пленки в парниковой теплице, что ведет к нагреванию поверхности Земли. Однако количественно оценить величину этого эффекта – непростая задача. В настоящее время нельзя даже ответить на вопрос: является ли антропогенный фактор существенным для климата Земли или нет.
Научное сообщество разделилось на два лагеря. Одни уверены в антропогенном влиянии на современный климат, другие считают современные аномалии климата следствием его естественной внутренней изменчивости. Так кто же из них прав? Возможно, что правы и те и другие.
Если антропогенное потепление всем понятно, то естественная изменчивость климата требует изучения более тонких процессов, происходящих в океане и атмосфере, и мы в настоящей статье остановимся именно на них.
Изменчивость климата обладает очень широким спектром масштабов: от суточной изменчивости до геологических эпох. Суточная и сезонная изменчивость определяется очевидным изменением притока солнечной радиации. Есть также внутридекадная и междекадная изменчивость (под декадой подразумевается 10-летний период), которые уже могут быть не связаны с изменением потока солнечной радиации. Как научное, так и практическое значение больше всего имеет именно междекадный масштаб. Он соответствует реальному планированию жизнедеятельности человека в обозримых пределах.
Прежде чем обсуждать междекадную изменчивость климата, хотелось бы немного ввести читателя в круг вопросов, связанных с динамикой океана и атмосферы. А они не так уж очевидны! Например: «Как образуется Гольфстрим?»
Одним из основополагающих явлений в области динамики океана и атмосферы является геострофическое равновесие. Суть его состоит в следующем: на вращающейся Земле все океанские и атмосферные течения в Северном полушарии стремятся отклониться направо, а в Южном – налево, и только в узкой экваториальной полосе они стремятся сохранить свое направление. Этот факт интуитивно не очевиден, и читателям, не знакомым с аналитической механикой, в него нужно просто поверить. Сила, ответственная за эту тенденцию отклонения, называется в механике силой Кориолиса, величина которой пропорциональна скорости течения.
Теперь рассмотрим Северное полушарие (без узкой экваториальной полосы). В тропической части океана происходит сильный солнечный прогрев верхнего слоя океана. Этот слой греет атмосферу. В атмосфере в тропиках возникает восходящее течение теплого воздуха. В качестве компенсации ушедшему воздуху возникает горизонтальный подток воздуха из высоких широт. Под действием силы Кориолиса это последнее течение воздуха отклоняется направо, то есть на запад.
Таким образом в тропиках образуется пассат, дующий с востока на запад. Пассат нагоняет теплую воду в Мексиканский залив и из Флоридского пролива под естественным напором вырывается Гольфстрим. Кстати, поднимающийся в тропиках теплый воздух в силу той же компенсации увлекается к высоким широтам и там опускается, образуя так называемую ячейку Гадлея.
А что же происходит в Северной Атлантике, которая, как известно, во многом определяет климат Восточной Евразии?
В атмосфере существуют так называемые центры действия. Два из них находятся над Исландией и Азорскими островами – Исландский минимум (атмосферного давления) и Азорский максимум. Сухой холодный воздух поступает в Северную Атлантику из Гренландии и севера Канады. В результате взаимодействия с относительно теплым океаном образуются циклоны, которые движутся на восток в соответствии с тем же геострофическим равновесием. Циклоны несут с собой много влаги, и это скрытое тепло существенно больше того тепла, которое определяется их температурой. Расстояние, проходимое циклоном на восток, определяется его мощностью, а мощность определяется тем, сколько тепла получил циклон в Северной Атлантике от океана.
Таким образом, степень распространения циклонов в глубь Восточной Евразии определяется степенью прогрева верхнего деятельного слоя океана (ВДСО), которая, с другой стороны, зависит от интенсивности отнятия у океана тепла циклонами. Более того, когда деятельный слой океана становится относительно холодным, то поле атмосферного давления формируется таким образом, что арктический воздух в большей степени выходит на континенты, чем на океан, и теплых циклонов в Северной Атлантике образуется меньше (и меньшей мощности).
Наблюдения за приповерхностной температурой показывают, что существует некое крестообразное колебание, которое простыми словами можно описать так: когда материки имеют тенденцию остывать (Евразия и Северная Америка), северные половины Атлантического и Тихого океанов имеют тенденцию прогреваться, и наоборот. Период этого колебания как раз соответствует междекадным масштабам. В Южном полушарии положение океанов и материков отличается от их положения в Северном полушарии, но принцип колебания остается тем же.
Можно предположить, что эта изменчивость является так называемыми автоколебаниями, когда вся система существует в условиях внешнего потока энергии (приходящая солнечная радиация и уходящее излучение Земли). Самый простой пример автоколебательной системы – это старый дверной звонок. Рассматривая устройство звонка, можно увидеть, что для возникновения автоколебаний нужна обратная связь (в звонке это дроссельная катушка и пружина язычка колокольчика).
Найти обратную связь в климатических процессах – задача весьма сложная и пока нерешенная. Возможно, роль обратной связи играют облачность, блокирующая приток солнечной радиации, и распреснение верхнего слоя океана в результате таяния ледников.
Но вернемся к климату Евразии. Здесь нужно отметить, что мнимое потепление (например, аномальная жара летом 2010 года) фактически является похолоданием, потому что суровая зима того же года перекрыла жару лета. А что такое суровая зима и жаркое лето? Это признак усиления континентальности климата, который соответствует именно похолоданию: теплые влажные циклоны Северной Атлантики не доходят до нас, а «разряжаются» в Европе с обильными дождями и снегопадами. Наоборот, потеплению у нас соответствует мягкий «морской» климат, когда и летом, и зимой мощные циклоны проникают далеко внутрь Евразии.
Модели динамики океана и атмосферы весьма сложны и требуют больших вычислительных ресурсов. К сожалению, уравнения механики жидкости и газа не являются абсолютно точными, так как крупномасштабное трение и диффузию тепла и соли невозможно описать, не привлекая рассмотрения турбулентных процессов, а общая теория турбулентности пока не создана. Тем не менее существует множество приблизительных описаний турбулентности, и модели с высоким разрешением по времени и пространству все лучше и лучше описывают океан и атмосферу, а следовательно, и увеличивается качество прогноза (хотя до совершенства еще далеко).
На основе результатов численного моделирования можно проследить количественную связь термической структуры ВДСО Северной Атлантики с изменчивостью евроазиатского климата. Проведенный анализ показывает, что начиная приблизительно с 2000 года ВДСО Северной Атлантики является относительно холодным и имеет тенденцию накапливать тепло, а не отдавать его в атмосферу. То есть сейчас мы находимся в холодной фазе климата Евразии. По простым линейным оценкам, эта фаза, а следовательно высокая континентальность климата, может продлиться еще более десяти лет.
Что касается антропогенного фактора, то, возможно, «запас прочности» естественного климата он пока перекрывает. Однако интуитивно ясно, при хищническом и бездумном отношении к природе ничего хорошего ждать не приходится.
