Радиационный баланс и чувствительность климата Земли: диагностика и геопроектирование

Глобальный радиационный баланс Земли (РБЗ) является ключевым функционалом, определяющим динамику нашей планетарной климатической системы. Знание характеристик РБЗ позволяет осуществлять диагностику текущих изменений климата на основе анализа его чувствительности по отношению к различным естественным и антропогенным возмущениям (форсингу). Кардинальные методы борьбы с аномально быстрым темпом глобального потепления в настоящее время связывают с перспективными технологиями формирования отрицательного радиационного форсинга («антифорсинга») и характеризуют термином «геопроектирование».
Несмотря на то, что мониторинг составляющих глобального РБЗ ведется уже около полувека, начиная с запуска первых метеорологических ИСЗ в 60-х годах прошлого века, важнейшая проблема необходимой точности наблюдений всё ещё остается не до конца решенной. Это связано с тем, что сама величина РБЗ достаточно мала и может быть менее 1 Вт/м2, а знать мы её должны с точностью до долей, вычисляя на основе спутниковых измерений как разность двух достаточно больших величин (около 340 Вт/м2). Поэтому даже новейшие технологии и высокоточный современный контроль всех трех составляющих РБЗ: падающего солнечного излучения, уходящей коротковолновой радиации (УКР) и уходящей длинноволновой радиации (УДР) пока не могут (даже теоретически) обеспечить точность лучше 0.5 Вт/м2, а для адекватного анализа с приемлемыми доверительными интервалами требуется абсолютная точность оценок РБЗ около 0.1 Вт/м2. Однако стремительное совершенствование измерительной аппаратуры, стимулируемое осознанием особой актуальности получения надежных результатов, дает надежду, что в ближайшем будущем необходимая точность наблюдений всё-таки будет достигнута.
Для анализа чувствительности климатической системы Земли на основе диагностики межгодовых и декадных изменений РБЗ, как функции температуры поверхности, используются оценки коэффициента λ. Коэффициент λ имеет размерность Вт∙м-2∙К-1. Он оценивается путем регрессии на основе данных космических наблюдений составляющих РБЗ (с использованием информации датчиков ERBE, СРРБ, CERES) и температуры поверхности. Современные оценки показывают, что значения λ для УДР, УКР и РБЗ составляют 2.82±0.42, -1.86±0.69 и 1.25±0.57 Вт∙м-2∙К-1 соответственно. Точное знание чувствительности климата Земли жизненно важно для планирования энергетического будущего нашей планеты.
При сопоставлении оценок ожидаемого глобального потепления (около 2.1 К) на основе данных о радиационном форсинге (обусловленным увеличением содержания парниковых газов а атмосфере) и чувствительности климата с реально наблюдаемым потеплением (около 0.8 К) возникает важный вопрос, чем же объясняется столь значительная разница. Дело в том, что величина уходящего излучения определяется локализацией источников (поверхности и атмосферы) со значительно меньшими теплоемкостями, чем глубоководная часть океана. Это приводит к наличию разных временных масштабов в отклике на климатический форсинг. Двумя важнейшими временными масштабами в отклике на климатическое возмущение являются частичный температурный отклик поверхности в течение около 10 лет и глубоководной части океана в течение столетий. Глобальная температура возрастает пока достаточно медленно, но когда будет исчерпана аккумулирующая способность Мирового океана, может начаться действительно экстремальное глобальное потепление.
Недавно Природа дала человечеству небольшую передышку, замедлив темп глобального потепления в 2008г. (и частично в 2009г.). Это в первую очередь было связано с затянувшимся минимумом солнечной активности. Обычный солнечный цикл продолжается около 11 земных лет, в то время как предыдущий, 23-й с начала наблюдений, протянулся почти на 12,5 лет. Возможной причиной этого являются аномалии в «конвейерном поясе» Солнца, мощных течениях плазмы под его поверхностью. Однако в последнее время появились явные признаки того, что Солнце активно выбирается из крайне затянувшегося минимума своей циклической активности и, по-видимому, вскоре постарается наверстать упущенное. Второй причиной временного замедления потепления, возможно, является холодная фаза Эль-Ниньо – Ла-Нинья.
В настоящее время, к сожалению, начинают сбываться прогнозы, получаемые с помощью наиболее совершенных климатических моделей, относительно интенсификации и увеличения частоты проявлений экстремальных погодных явлений. Это в первую очередь относится к аномальным вихревым образованиям в виде циклонических супертайфунов/гиперураганов и антициклональных блокингов. Ярким примером катастрофического влияния мощнейшего блокирующего антициклона на жизнедеятельность людей являются события лета 2010 года на территории центральной России. Результаты математического моделирования показывают, что в ходе глобального потепления роль тепловых волн (heat waves), связанных с антициклональными блокингами, будет возрастать. Следует отметить, что летние события 2010 г. отнюдь не являются абсолютно уникальными, как это представляется некоторыми специалистами. Летом 2003 г. подобная тепловая волна (может быть чуть менее мощная) имела место на территории западной Европы, тогда по некоторым оценкам погибло около 35 тыс. человек (из них только во Франции около 15 тыс.). Разрабатываемые технологии геопроектирования призваны решать не только проблемы минимизации прямых эффектов глобального потепления, но и решать задачи активных воздействий на катастрофические явления вихревого происхождения, являющихся косвенным следствием этого потепления.
Осознавая необходимость экстренных мер по борьбе с проявлениями глобального потепления, все большее число государственных и частных структур начинают финансирование проектов по геопроектированию. Речь идет не только о поисковых НИР, но и о реальных ОКР. Примером активной гражданской позиции может служить инициатива известного миллиардера и филантропа Билла Гейтса (соучредителя компании «Микрософт»), создавшего специальный фонд для поддержки реализации экспериментальных технологий по геопроектированию. Недавно из этого фонда было выделено 300 млн. долл. на пилотный проект по искусственной генерации морских облаков нижнего яруса с повышенными отражательными характеристиками. На эти деньги в ближайшее время будет построено 10 опытных образцов плавучих средств (по имеющимся оценкам их требуется около 1500), способных с помощью восходящих струй мелкодисперсных фракций морской воды и воздуха стимулировать увеличение отражательной способности облаков. Это, по-видимому, будет первым наглядным подтверждением того, что человечество начинает реально действовать.
Работа поддержана грантом РФФИ № 10-01-00379а.