Критическая зависимость условий жизни на планете и мировой цивилизации от климата делает анализ причин и прогнозирование долговременных климатических изменений важнейшей цивилизационной задачей. Среди прочих естественных и антропогенных факторов, влияющих на климат, рост концентрации парниковых газов в атмосфере, прежде всего диоксида углерода и метана, рассматривается как одна из наиболее серьезных причин изменений, наблюдаемых в последние десятилетия.

Главным источником растущей обеспокоенности возможностью серьезного изменения климата в результате антропогенной деятельности являются такие бесспорно существующие и взаимно коррелирующие явления, наблюдаемые на протяжении последних 100–150 лет, как:

• увеличение антропогенной эмиссии парниковых газов, прежде всего СО₂ и СН₄;

• рост концентрации этих газов в атмосфере;

• повышение средней температуры земной поверхности примерно на 0,6–0,8°С за последнее столетие.

В общественном сознании достаточно прочно утвердилось представление о точно такой же последовательности в цепочке причинно-следственных связей, что побуждает общество разрабатывать меры, направленные на сокращение антропогенной эмиссии этих газов. «Эмоциональной» основой этого взгляда является уже утвердившееся в массовом сознании понимание того, что, по выражению В.И. Вернадского, человек стал «основной геологообразующей силой планеты», и антропогенная деятельность вполне способна влиять на изменение ее климата. Основным же научным аргументом в пользу такой интерпретации является именно рост атмосферной концентрации парниковых газов, в т. ч. диоксида углерода до более 360 ppm и метана до 1,7 ppm к концу XX столетия (рис. 65).

Поэтому научная общественность, несмотря на отсутствие однозначных данных о вкладе антропогенной деятельности в рост парникового эффекта и изменение климата, в целом поддерживает меры политического и экономического характера, направленные на уменьшение выброса парниковых газов.

К принятию таких мер подталкивают и объективные данные о нарастающей неустойчивости глобальных атмосферных процессов, косвенно свидетельствующие о повышении вероятности бифуркационной перестройки климата.

Рис. 65. Изменение концентрации парниковых газов и глобальной температуры за последние 160 тыс. лет (Сорохтин, Ушаков, 1991)

Однако пока нет строгих научных доказательств существования причинно-следственной связи между этими явлениями в том порядке, как они перечислены выше. Глобальные модели, на которых основаны современные прогнозы, содержат большие неточности в определении базовых параметров, прежде всего естественных истоков и стоков парниковых газов в атмосфере, которые, пока еще, как правило, значительно превышают антропогенные потоки. Эти модели также отражают наше пока еще слабое понимание сложных нелинейных геологических, химических и биологических процессов с участием парниковых газов в литосфере, почве, гидросфере и атмосфере. Поэтому разброс в прогнозах очень велик, а сами они отражают скорее тенденции, чем конкретные значения прогнозируемых параметров. Будущие объемы антропогенных выбросов газов с парниковым эффектом являются следствием процессов в очень сложных динамических системах, включающих такие определяющие факторы, как демографическое развитие, социально-экономическое развитие и технологические изменения, дальнейшее развитие которых весьма неопределенно.

В принципе, существуют вполне достаточные неантропогенные причины наблюдаемого изменения средней температуры земной поверхности, которые могут быть связаны с долговременной эволюцией или циклическими колебаниями климата, вызываемыми изменением солнечной активности, параметров земной орбиты и наклона земной оси, геологической эволюцией планеты, в т. ч. изменением скорости ее дегазации, вулканической активности, теплосодержания океанических вод и т. д., причем повышение концентрации СО₂ и метана в атмосфере может быть не причиной, а прямым следствием этих явлений. Вот только некоторые возможные естественные причины наблюдаемых климатических изменений.

Основой всех климатических явлений является солнечная радиация. Ее поток, перпендикулярный к сечению Земли, составляет ~1370 Вт/м². С учетом того, что поверхность Земли в 4 раза превышает ее сечение, а 30 % излучения отражается, средний поток солнечной энергии, перпендикулярный земной поверхности, составляет ~240 Вт/м². Изменение этого потока даже на 0,1 % (величина, примерно соответствующая колебаниям в течение 11-летнего цикла солнечной активности) вызывает изменение потока солнечной радиации на поверхности, называемое климатическим воздействием, в ~0,24 Вт/м², что соответствует почти 20 % от суммарного климатического воздействия диоксида углерода за последние 150 лет. Сопоставление кривых солнечной активности и среднегодовых температур за последнее столетие показывает их четкую корреляцию (Сорохтин, Ушаков, 1991). А реконструкция изменения солнечной активности и влияния этого процесса на климат показывает, что, по крайней мере, половина наблюдаемого потепления за период с 1900 года может быть объяснена этой причиной.

Положение земной оси по отношению к Солнцу также не совсем стабильно. Время от времени она довольно резко смещается назад или вперед, что оказывает соответствующее влияние на климат. Не исключено, что определенные колебания может испытывать огромный поток тепловой энергии, выделяющейся за счет продолжающейся дифференциации земного вещества, направленный от формирующегося тяжелого ядра планеты к ее поверхности (Сорохтин, Ушаков, 1991).

Решающее влияние на понимание динамики климата имеет корректная оценка изменения теплосодержания океанических вод. Это единственное место на земной поверхности, где может накапливаться энергия теплового дисбаланса. Данные показывают, что теплосодержание океана с середины 1950-х по середину 1990-х увеличилось на 2х10²³ Дж. Наиболее простое объяснение этого – происходящие изменения в атмосферных процессах и их влияние на тепловой баланс.

Моделирование климатических явлений показало, что огромное влияние на климат оказывает характер океанических течений. Именно этой причиной может быть объяснен более теплый климат некоторых предшествовавших геологических эпох. Наиболее близкая аналогия возможных климатических изменений может быть получена из анализа климата эпохи Плиоцена, отстоящей от нашего времени примерно на 3 млн лет (период от 5 до 1,8 млн лет назад). Тогда средняя температура поверхности превышала современную более чем на 1°С. Именно в этот период появились прямые предки человека и начались циклические оледенения в Северном полушарии. Сравнение с климатическими условиями этой эпохи удобно также тем, что конфигурация земной поверхности практически соответствовала современной, а большинство видов растений и животных соответствовало современным видам. Хотя достоверно неизвестно, что именно явилось причиной потепления в плиоцене, ему также соответствовал высокий уровень парниковых газов, превышающий современный, по крайней мере, на 100 ppm. Однако моделирование климата плиоцена, проведенное специалистами NASA, не подтвердило гипотезу о том, что потепление было вызвано повышением концентрации СО₂. Оказалось, что необходимо четырехкратное повышение концентрации диоксида углерода для объяснения произошедших климатических изменений. В то же время примерно 30 %-ное изменение в меридиональном тепловом потоке, переносимом океаническими течениями, было достаточным для того, чтобы объяснить наблюдаемую климатическую картину. Конечно, могли существовать и другие неизвестные нам факторы, влиявшие на температуру и концентрацию диоксида углерода в эту эпоху.

Наблюдаемые изменения концентраций парниковых газов в плиоцене и в современную эпоху могут являться не причиной, а прямым следствием температурных изменений, вызванных одной из перечисленных выше причин. Например, даже небольшое повышение средней температуры поверхностного слоя океана приводит к эмиссии огромного объема диоксида углерода за счет изменения его растворимости в морской воде. Одновременно возможен резкий выброс в атмосферу гигантских количеств метана за счет теплового разложения неустойчивых газовых гидратов на морском шельфе и на суше. А сильная положительная обратная связь, реализуемая через механизм парникового эффекта, может многократно усиливать даже небольшие температурные колебания, вызванные любой из возможных причин.

У специалистов пока нет уверенности в долговременности наблюдаемой тенденции повышения температуры и невозможности смены знака температурного хода в ближайшее время, тем более что современная эпоха соответствует температурному максимуму очередного межледникового периода. Высказываются доводы в пользу большой роли в плотной земной атмосфере конвективных процессов теплопереноса, что ставит под сомнение критическую роль наблюдаемого изменения концентрации парниковых газов в росте средней температуры земной поверхности (Сорохтин, Ушаков, 1991). Необходимо также учитывать, что результаты антропогенной деятельности практически в той же степени способствуют явлениям, понижающим среднюю температуру земной поверхности. Нет строго обоснованного доказательства существенного преобладания тенденции к «положительному» вкладу антропогенной деятельности.

Наконец, глобальный климат может испытывать достаточно сильные флуктуации и без всяких внешних воздействий. Оценки на основе глобальных моделей показывают, что на протяжении столетия колебание средней температуры поверхности может достигать 0,4°С даже при фиксированном уровне солнечной радиации и постоянной концентрации парниковых газов. Эти флуктуации проявляются как следствие нелинейных процессов, характеризующих поведение атмосферы планеты. Благодаря огромной тепловой инерции океана хаотические изменения в атмосфере могут вызывать последействие, сказывающееся десятилетия спустя. И для того, чтобы дополнительные воздействия на атмосферу имели вполне определенный направленный эффект, они должны, по крайней мере, заметно превышать естественный флуктуационный «шум» системы.

К основным парниковым газам, производимым в значительных количествах современной цивилизацией, относят CO₂, CH₄, N₂O, SF₆ и фреоны. Эти газы сильно различаются не только по своей концентрации в атмосфере, но и по коэффициентам поглощения ИК излучения. Для оценки относительного влияния различных парниковых факторов на климат обычно используют величину «климатическое воздействие» (climate forcing), определяемую как усредненное изменение достигающего поверхности теплового потока (Вт/см²) за счет изменения концентрации данного парникового фактора в атмосфере. Основным среди парниковых газов и с точки зрения его влияния на изменение климата (более 60 %), и с точки зрения естественных и антропогенных потоков, и по содержанию в атмосфере, является диоксид углерода. С начала индустриальной революции его концентрация в атмосфере возросла примерно на 30 % (рис. 65) и достигла в 1997 году уровня 364 ppm. Время жизни диоксида углерода в атмосфере определяется скоростью обмена с поверхностью океана и оценивается в 10 лет, но при учете перемешивания океанских вод и поглощения диоксида углерода осадочными породами реальное время релаксации его концентрационных изменений может достигать многих десятков и даже сотен лет.