Климатология и метеорология - это то, чем я занимаюсь практически с детства. Это моя любимая область науки. Сейчас тема погоды и климата особенно актуальна, из-за слишком быстрого глобального потепления. Приближается лето с его аномальной парниковой жарой, поэтому основное внимание я теперь буду уделять теме парникового эффекта, который к этой аномальности и приводит. В эту статью буду вносить важные мысли и идеи, даже если они не являются доказанными, но имеют логическое обоснование и подтверждения в личных наблюдениях за погодой и прочих вещах, либо в прочитанных ранее зарубежных статьях. Размещать статьи на "Дзене" удобнее, чем в Word-файлах, так как тут проще найти нужную статью по картинке и названию. Хотя важные статьи параллельно сохраняю и в "Ворде".
Не все парниковые молекулы одинаково эффективны
Прежде всего, речь идет о тяжелых молекулах искусственных долгоживущих и сильных парниковых газов, например, таких, как перфторэтан (C2F6), хлорфторуглероды и гексафторид серы (SF6). Как я недавно прочитал на зарубежном сайте (статья о перфторэтане), перфторэтан из-за большой молекулярной массы имеет обыкновение скапливаться в низинах. Что это значит для парникового эффекта? Если вертикальное перемешивание сильное, как это часто бывает летом и в циклонах, то такие молекулы, по-видимому, смогут подниматься достаточно высоко, где они окажут сильный парниковый эффект. Но при слабом перемешивании, например, в зимних антициклонах, такие газы должны скапливаться вблизи поверхности Земли, и могут (вероятно) даже оказать антипарниковый эффект, повышая излучательную способность земной поверхности. При облачном покрове (особенно при высоком) основная часть таких тяжелых молекул окажется под поверхностью облаков и парниковый эффект от них будет слабо выражен (а скорее будет практически отсутствовать). А в дневное время суток, когда излучение идет сверху вниз (от облаков к Земле) может вообще отсутствовать и даже быть слабо отрицательным в утренние часы, когда земля нагревается преобразованным облаками в тепловое солнечным излучением, так как парниковые газы будут замедлять его прохождение к поверхности земли. Этот эффект был практически доказан личными наблюдениями за погодой, когда в период аномальной жары в пасмурное утро было относительно прохладно, особенно когда ночью было малооблачно и земля перед этим охладилась.
Углекислый газ тоже имеет обыкновение скапливаться в низинах при отсутствии перемешивания воздуха, но его молекулы всё же намного легче, чем у (к примеру) гексафторида серы, а потому всё же более летучие. Но по факту (и я это постоянно наблюдаю в своем городе) при холодных антициклонах морозы могут быть почти такие же сильные, как были и раньше (хотя случаться стали намного реже по частоте). А если при холодном антициклоне ещё и облачность, под которой скопится основная масса СО2 (плюс сама облачность блокирует инфракрасное излучение от парниковых газов над ней, направляя его назад, то есть от Земли), то парниковый эффект не заметен.
Совсем иное дело метан, который легче воздуха и поднимается высоко в атмосферу. То есть он должен оказывать сильный парниковый эффект независимо от погодных условий, в том числе, активно поглощая инфракрасное излучение облаков (хотя при облачности эффект для нас всё равно будет меньше из-за блокирования излучения самими облаками).
Нагрев океана не коррелирует с концентрацией метана в атмосфере
Сравнивая графики концентрации СО2, метана и температуры воды океанской толщи, можно увидеть, что последняя никак не коррелирует со скоростью роста концентрации метана, но хорошо коррелирует с сильными вулканическими извержениями (нагрев пошел как раз после осаждения выбросов от Пинатубо, а больше сильных извержений не было, и океан всё время нагревался) и с ростом концентрации углекислого газа. Это может быть случайным совпадением, ведь метан вносит меньший вклад в антропогенное потепление, чем СО2, а значит, на первое место могли выходить другие причины, заслоняющие эффект от метана, но может быть и не случайным.
Добывать ископаемое топливо будет всё сложнее
Легкодоступные ресурсы поверхностных месторождений угля и неглубоко залегающей нефти постепенно иссякают, о чем написано, в том числе, в этой статье, где я оставил свой комментарий (ник Павел Мор). Там было написано, что с этой проблемой уже сталкивается Китай, да и в России нефть становится добывать всё сложнее. Это значит, что цены на топливные ресурсы будут расти, что сделает ВИЭ и потенциально термоядерную энергию более экономически выгодными. Хоть там и есть зависимость от некоторых металлов, но благодаря повторному их использованию и развитию технологий она не стоит очень остро, в отличие от исчерпаемых и невосстановимых топливных ископаемых, которые просто сжигаются в печах. Это значит, что парниковой эффект, возможно, не успеет усилиться до критического уровня, когда ископаемое топливо станет нерентабельным.
Связь концентрации парниковых газов с температурой нелинейная
Близкая к логарифмической зависимость имеет место у углекислого газа, а средняя между линейной и логарифмической - у метана. Оба этих газа вносят наибольший вклад в антропогенное изменение климата на планете. Это значит, что при одинаковом годовом росте концентрации (а пока этот рост у СО2 быстро ускоряется, у метана, в среднем, тоже) рост температуры при прочих равных условиях будет постепенно замедляться. Это отсрочит и замедлит наступление климатического апокалипсиса, но, скорее всего, будет недостаточным для его отмены. Когда арктические льды исчезнут рост температуры также замедлится, так как прекратится снижение альбедо Земли (за исключением континентальных льдов, но там процесс идет медленно, хотя будет идти быстрее). Однако в сочетании с гео инжинирингом это даёт надежды на спасение человечества и выживание человеческой цивилизации. Но пока у власти стоят такие потребители и антиэкологисты, как Трамп, на такое сочетание надеяться не стоит, а только уповать на пресловутый логарифм, в надежде, что он не даст повыситься температуре слишком сильно.
Перекрытие полос поглощения
К счастью, у многих парниковых газов полосы поглощения частично или полностью перекрываются, так что рост концентрации любого из них автоматически снижает парниковый потенциал конкурента. Самые значимые примеры:
1. Рост концентрации водяного пара в ответ на потепление делает последнее более сильным, но одновременно снижает возможность углекислого газа и метана и дальше повышать температуру, так как сам он значительно поглощает в той части спектра, где располагаются полосы этих парниковых газов. То есть будет составлять им всё большую конкуренцию, ослабляя дальнейший рост их влияния на климат планеты. Хотя водяной пар поглощает на большей части спектра излучения Земли, поэтому неясно, насколько значителен этот эффект.
2. Длинноволновая полоса поглощения закиси азота сильно пересекается с полосами углекислого газа и водяного пара, а коротковолновая, частично, с полосой поглощения метана и водяного пара соответственно. При этом слабая, но зато находящаяся в окне прозрачности атмосферы, коротковолновая полоса закиси азота при катастрофическом росте концентрации метана может ослабить своё влияние.
3. Полоса поглощения самого долгоживущего (50 тысяч лет!) и очень сильного парникового газа CF4 (перфторметан) находится очень близко к полосе поглощения метана и вроде как даже с ней пересекается (так получается при сопоставлении спектров поглощения CH4 и CF4). В случае катастрофического роста концентрации метана (как, собственно, и водяного пара) влияние CF4 на климат может резко уменьшиться. В свою очередь, значительный рост концентрации CF4 уменьшит будущие парниковые возможности метана. Правда пока концентрация этого фтор-содержащего газа (к счастью) очень мала.
Изменение солнечной активности и извержения
Сейчас наблюдается пик солнечной активности (который к тому же оказался в 2 раза мощнее прогнозного), а крупных извержений с выбросом в стратосферу соединений серы не было уже очень давно. Если солнечная активность снизится, а извержения наконец начнутся (должны же они когда-то начаться), то потепление может замедлится, а при извержениях даже на время прекратиться, и даже смениться временным понижением глобальной температуры и замедлением роста концентрации парниковых газов. Так было после извержения Пинатубо, хотя это далеко не самое мощное из стратосферных извержений 20 века.
Рост энерговыделения цивилизации может прекратиться
Непосредственное выделение тепла человечеством вносит заметный вклад в современное глобальное потепление. Особенно его тепловой эффект проявляется в крупных городах. С прекращением экстенсивного развития и с ростом энергоэффективности потребление энергии может перестать расти, если продолжится снижение мировой рождаемости. Тогда темп потепления слегка уменьшится, а если потребление энергии начнет падать (что пока маловероятно), то будет снижаться ещё быстрее. Возведение объектов ВИЭ, способствующее росту региональных (а значит и глобальных) температур, сейчас идет взрывными темпами, но после насыщения, когда они станут обеспечивать большую часть поставок нужной человеку энергии, количество ветряков (преобразующих ветровой поток в тепловое движение молекул) и солнечных панелей (снижающих альбедо земной поверхности) перестанет расти и потепление слегка замедлится. Ещё лучше, если объекты ВИЭ будут активно строить не на суше, а в океане. Например, плавучие СЭС (альбедо которых, как я читал, такое же, как и у глубокой воды) будут затенять поверхность моря и снижать испарение (то есть концентрацию водного пара в атмосфере), а также замедлять нагревание океана. В результате, если на суше массовое строительство СЭС усилит эффект потепления, то над морем будет прямо наоборот. А их всё чаще устанавливают в открытом море, особенно в Китае.
В Европе энерговыделение уже снижается, как и (по-видимому) в Японии и Южной Корее. Однако в большей части стран оно пока быстро растет.
Белые крыши замедлят потепление
Во многих жарких странах, таких, как Мексика и юг США, жители всё активнее устанавливают на своих домах крыши белого цвета, либо перекрашивают в белый старые. Это позволяет сделать микроклимат в доме комфортнее и снизить траты на охлаждение воздуха, а заодно и поспособствовать снижению глобальной температуры. Ранее этот метод охлаждения климата предлагали ученые, ведь домов в мире очень много. Хотя возможности у него все же намного скромнее, чем у настоящего геоинжиниринга. В России тенденции ставить светлые крыши пока нет, даже в моем южном Майкопе. Но если в моем городе станет совсем экстремально жарко, я стану активно рекомендовать этот способ охлаждения в региональной группе ВКонтакте. Пока не уверен, что это стоит делать, так как зимой могут вырасти траты на отопление, а также уменьшится количество осадков в городе. На моем доме крыша довольно светлая (светлее, чем у подавляющего большинства людей в моем городе), но всё же не белая.
Дополнительный эффект может дать рост доли белых автомобилей.
Искусственные газы потенциально могут охлаждать атмосферу
По иронии судьбы долгоживущие искусственные летучие соединения (содержащие хлор и/или фтор) поглощают в так называемом окне прозрачности атмосферы, поэтому считаются очень сильными. Но "обратной стороной медали" здесь может быть то, что раз они эффективно излучают в окне прозрачности, то значит, могут эффективно охлаждать атмосферу. В отличие от углекислого газа, который не даст излучению уйти в космос, потому что его слишком много, что делает его полосу практически непрозрачной для излучения. Особенно хорошо если это тяжёлые соединения типа гексафторида серы, которые по логике должны скапливаться вблизи земли. Учитывается ли этот охлаждающий эффект при расчёте их парникового эффекта или нет я не знаю, но подозреваю что нет.
Увеличится разница температур между ясной и облачной погодой
В ясную погоду почти всё тепловое излучение идет снизу, поэтому парниковый эффект проявляет себя в полной мере. При облачности (особенно высокой) всё не так однозначно и парниковые газы не будут однозначными нагревателями. Тяжелые и немногочисленные молекулы парниковых газов типа гексафторида серы, поглощающие в центре "окна прозрачности" атмосферы, вряд ли поднимутся выше облачного слоя, находящегося в верхней части тропосферы, а если и поднимутся, то единично. А потому при высокой и плотной облачности, а также при облачности в антициклонах (когда тяжелые молекулы газов ещё сильнее опускаются вниз) они практически не работают. Метан будет более эффективен, так как легче воздуха и поднимается высоко. К тому же он в значительной мере конкурирует с водяным паром за поглощение в нижних слоях атмосферы, однако в верхней части тропосферы водяного пара уже очень мало, а значит, он должен быть более эффективным. Но большая часть отраженного им излучения всё равно не достигнет Земли, так как будет поглощена или отражена назад слоем облаков, которые, к тому же, имеют высокое альбедо. При этом поверхность облаков (особенно высоких) обычно холодная, а полоса метана довольно коротковолновая и лучше поглощает излучение сильно нагретых поверхностей (см. схема выше), а не холодных, как полоса углекислого газа.
Всё это уже проявляется, разница температур между облачной и ясной погодой растет. И эта разница будет во многом также зависеть от того, какие именно газы будут накапливаться, и сколько их будет в атмосфере.
При низком угле стояния Солнца водяной пар менее эффективен как парниковый газ
Согласно схеме (см. выше) водяной пар поглощает значительную долю солнечного излучения. Чем ближе солнце к горизонту, тем больше оптическая толщина атмосферы. И если в ней много водяного пара, то значительная часть солнечного излучения будет поглощена им и не дойдет до поверхности Земли, а вернется в космос. При этом тепловое излучение Земли идет вол всех направлениях, не только под углом, но и вертикально вверх, независимо от угла стояния Солнца. А водяной пар довольно охотно пропускает тепловое излучение в "окне прозрачности атмосферы", где оно как раз наиболее интенсивно. Таким образом, при низком стоянии Солнца охлаждающий эффект водяного пара, вероятно, может сравняться с нагревающим (парниковым) или быть близким к нему по величине. Не факт, что такие вещи учитывают в климатических моделях.
Солнце станет не таким сильным
Водяной пар активно поглощает солнечное излучение (в основном в длинноволновой части спектра). Частично делает это и углекислый газ. При потеплении водяного пара становится больше, а значит сильнее блокируется солнечное излучение, что уменьшает разницу температур между солнцем и тенью, а солнце не будет так сильно печь и будет более мягким (хотя из-за повышения температуры воздуха всё равно будет ощущаться жарким, возможно даже более жарким, чем раньше). При нахождении на солнце возрастет вероятность получить тепловой удар, однако в меньшей степени, чем если бы причиной того же по величине потепления был рост самого солнечного излучения, а не углекислого газа. Однако вероятность получить солнечный удар может даже уменьшиться.
Кроме того, так как потепление более выражено вблизи земли, чем на высотах, то накопление в атмосфере водяного пара (для испарения которого важны именно приземные температуры) может привести к появлению на небе дымки и большего кол-ва облачности, что может замедлить и ослабить потепление, поскольку до земли будет доходить меньше солнечного света. Хотя парниковый эффект атмосферы тоже усилится, поэтому итоговый эффект не совсем ясен.
Конвекционное охлаждение станет более эффективным
Чем больше в воздухе парниковых газов, тем эффективнее он отдаёт тепло с излучением. При конвекции теплый воздух поднимается вверх, охлаждается путем излучения и затем оседает вниз в другом регионе. Эффективность этого охлаждения сильно зависит от содержания в поднятом воздухе молекул парниковых газов. По этой же причине с простом концентрации парниковых газов происходит охлаждение стратосферы. Кроме того, чем теплее становится у поверхности Земли, тем интенсивнее вынос теплого воздуха вверх.
Однако после охлаждения воздуха поднятые на высоты тяжелые молекулы парниковых газов будут оказывать более сильный парниковый эффект, чем если бы они находились у поверхности Земли, так что получается неоднозначно.
Что может усилить глобальное потепление
Если сжигание топлива будет быстро сокращаться, то может уменьшиться содержание в атмосфере антропогенных аэрозолей, а значит и облаков. Это может на время усилить (и даже ускорить) потепление, пока не снизится концентрация парниковых газов. Но при этом уменьшится количество сажи, а также тропосферного озона, нагревающих планету. Так что итоговый эффект нам не известен, и он может быть не очень большим. Важно, что сажа более важна для нагрева суши, а океан и без неё очень темный и поглощает почти весь солнечный свет. Белые же аэрозоли сильнее охладят океан (из-за большей разницы в альбедо), чем сушу, к тому же океан чувствительнее к изменению коротковолнового излучения, чем суша, и там легче образуются белые облака от аэрозолей, вследствие большего количества влаги в воздухе. Поэтому эффект нагрева от мирового снижения концентрации аэрозолей будет намного больше заметен в океане, а на суше может быть компенсирован сокращением количества сажи и озона (особенно в местах со снежным и ледяным покровом). Именно из-за снижения выбросов аэрозолей от введенного в 2020 году мирового ограничения на вредные выбросы международных океанских судов, как считают зарубежные ученые, ускорился нагрев океана, а значит и атмосферы в целом, что проявилось в многочисленных рекордах температур.
Поглощение СО2 океаном уже сейчас, судя по тому, что я читал, существенно снизилось (или даже почти прекратилось). Возможно это связано с его быстрым нагревом в последние годы. Однако океан удерживает в 60 раз больше СО2, чем содержится в атмосфере, а значит потенциально может поглотить его много (про возможность выделения нигде не читал). Возможно, замедлился обмен между поверхностными и глубинными водами и поглощение прекратилось. Но оно и раньше, пусть и не прекращалось, как сейчас, но временами сильно замедлялось, например, в конце 80-х годов 20 века. Так что это может быть и временным явлением. Ученые считают, что если распылить над океаном железо, то микроводоросли начнут активно размножаться и скорость оседания углерода на дно (а значит и выведение СО2 из атмосферы) увеличится.
Ещё один минус - при сокращении (а тем более обнулении) выбросов СО2 океан также замедлит поглощение, как пишут зарубежные ученые. Причина, очевидно, в том, что объём поглощаемого листьями и водой углекислого газа тем сильнее, чем выше его концентрация в атмосфере.
Немного ускорить потепление может уменьшение размера пор на листьях растений из-за роста концентрации СО2, что приведет к снижению транспирации и охлаждающего эффекта зелени. Кроме того, листья могут стать немного темнее из-за сильной жары и её раннего начала (в июле листва всегда темнее, чем в апреле-мае), а значит, немного усилится поглощение солнечного света листьями.
Сокращение площади снежного покрова уже в этом году проявилось очень сильно, став одной из главных причин аномального тепла в марте на европейской части страны, о чем, в том числе, сообщил Роман Вильфанд. И тут потенциал для сокращения (а значит, для ещё большего роста температур) пока довольно большой. В итоге зима и весна станут намного теплее из-за снижения альбедо поверхности и дальнейшего роста концентрации парниковых газов. Опосредованно это потепление отразится и на летних температурах, сделав его ещё немного более жарким.
К сожалению, для усиливающего действия водяного пара, судя по тому, что я недавно прочитал на зарубежном сайте, никакого замедления силы реакции нет, то есть, каждый градус потепления от любой причины, кроме водяного пара (включая углекислый газ) даст 2 - 3 градуса итогового потепления, независимо от текущей глобальной температуры. Причина в том, что водяной пар поглощает не в четких полосах, как СО2, а почти по всему инфракрасному спектру, в том числе, в окне прозрачности атмосферы. Хотя там поглощение минимально, но зато и возможности для его наращивания при росте концентрации молекул воды в атмосфере там наибольшие, так как полосы ещё практически свободны от поглощения. А если они станут непрозрачными, то тепловому излучению вообще будет очень сложно покинуть Землю, и тогда уж точно настанет климатический апокалипсис, с последующей гибелью человечества, причем почти гарантированной.
У метана есть своя заподлянка: увеличение периода полувыведения с ростом концентрации, из-за сокращения количества молекул ОН в атмосфере. Не стоит забывать и о слабых полосах поглощения СО2 в самом центре "окна прозрачности атмосферы" (а также слабых полос на окраине ИК спектра), которые делают зависимость температуры от концентрации СО2 не совсем логарифмической, а чуть более сильной (чуть ближе к линейной), чему была посвящена серьёзная статья зарубежных ученых.
Также нужно учитывать, что влияние газов, поглощающих в "окне прозрачности" атмосферы (например, фтор-содержащих искусственных газов) будет усиливаться с ростом концентрации углекислого газа и метана, так как увеличится роль окна прозрачности в охлаждении атмосферы, ведь на других частях спектра она будет становиться всё более непрозрачной.
К значимым негативным моментам можно отнести также тот факт, что на суше потепление в 2 раза сильнее, чем над океанами.
...
Так что особого оптимизма по поводу будущего планеты у меня пока нет.