Когда говорят о климатических изменениях, больше внимания уделяют углекислому газу. Однако водяной пар, без сомнения, — самый влиятельный парниковый газ в атмосфере. Газообразная форма H2О поглощает гораздо больше инфракрасной энергии, излучаемой с поверхности Земли, чем другие парниковые газы, удерживая тем самым больше тепла. Некоторые ученые считают, что водяной пар играет колоссальную роль в усилении разрушительных штормов и ускоряет изменения климата. Так ли это? Рассказывает профессор кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ, профессор РАН Дарья Юрьевна Гущина.
Дарья Юрьевна Гущина — профессор кафедры метеорологии и климатологии географического факультета МГУ, профессор РАН.
— В прошлом, 2021 г. весь мир, еще не оправившийся после пандемии, столкнулся с аномальными погодными условиями – разрушительными наводнениями, сильной жарой. Об этом предупреждали климатологи, когда говорили, что в меняющемся климате будет все больше аномалий?
— На самом деле аномалии наблюдались не только в 2021 г. Аномальные погодные условия в целом наблюдаются ежегодно. В своих интервью и лекциях я неоднократно подчеркивала: нужно четко определять то, что мы называем аномалией, поскольку норма в науке — это среднее значение. Например, мы взяли 15 марта значения температуры за 30 лет, сложили и разделили на 30, получив среднюю температуру. Но за эти 30 лет реальная температура 15 марта могла ни разу не совпасть со средним значением. Поэтому строго математически любое отклонение от среднего значения и есть аномалия по определению.
Между тем в жизни наш подход к интерпретации того или иного явления часто субъективный, поэтому аномалией чаще всего называют резкое отклонение от нормы. Но опять-таки все сильно зависит от региона. В районах с океаническим климатом все температурные колебания смягчает океан или другой крупный водный объект, поэтому величина отклонений в прибрежных районах будет меньше, чем во внутриконтинентальных.
Существуют районы, где наблюдается более устойчивая атмосферная циркуляция. Например, в тропиках круглый год дуют знаменитые пассаты — ветры, о которых мы помним по школьным урокам географии. Это, пожалуй, первый метеорологический объект, который открыли и описали мореплаватели еще в XV–XVI вв. Все великие географические открытия основаны на силе пассатов. Почему серфингисты любят районы с пассатным климатом? Потому что они могут приехать в любое время и застать ветер и волны.
А есть районы с неустойчивой погодой, которая чаще всего связана с чередованием южных и северных потоков, приносящих то холодный, то теплый воздух. Поэтому на восточном побережье Северной Америки погода очень переменчивая. Северные ветры проникают до Флориды, и может выпасть снег, а южные ветры проникают до Канады, где даже зимой может пойти дождь, и снежный покров тает.
Поэтому аномалии бывают разные. Климатологи предпочитают говорить об экстремальных явлениях погоды, критерии которых определены достаточно четко. Хотя подходы к экстремальности в разных странах отличаются, пороговые значения все же определены конкретно.
В связи с потеплением климата количество и повторяемость экстремальных явлений увеличиваются. Долгое время этот факт вызывал в научном сообществе бурные споры и дискуссии. Некоторые ссылались на человеческий субъективизм. Согласитесь, сегодня в сознании каждого человека экстремальность климата выросла в разы. Ведь в середине прошлого века о погоде и климате говорили мало, а мировой обмен информацией был на порядки меньше, чем сейчас.
Об экстремальных событиях люди узнавали несколько раз в году, а сегодня — каждый день. При этом в информационном поле складывается интересная ситуация: если не о чем говорить, говорят о погоде; если о чем-то лучше не говорить — тоже говорят о погоде. Поэтому нельзя не учитывать социальные, экономические и политические причины того, что мы стали больше говорить об экстремальности климата.
Но все же объективные научные данные показывают, что повторяемость экстремальных явлений возрастает в связи с изменением климата. Но и в этом случае все сильно зависит от региона. Зимы без снега в Московском регионе бывали и раньше, просто мы обращали на это меньше внимания. Как мне кажется, с развитием цивилизации увеличилась чувствительность человеческого сознания к экстремальным явлениям, новостям и событиям. Мы стали более резко на все реагировать. Я не психолог и ни в коей мере не претендую на научные заключения в этой области, это мое личное восприятие и ощущение.
— Когда говорят о климатических изменениях, упоминают парниковые газы. Какое влияние они оказывают на климат?
— Начну с того, что такое парниковый эффект. Зачастую, особенно в неспециализированных источниках, встречается ложная информация. Но еще больше пугает тот факт, что неверные определения есть даже в школьных учебниках, в которых говорится, что главную опасность для человечества представляют парниковый эффект, кислотные дожди и озоновая дыра. О последних говорить не будем — это отдельные большие темы. Но если бы не было парникового эффекта, средняя температура планеты Земля составляла бы -18° С. Возможно, жизнь могла бы зародиться и в таких условиях, но мы не знаем, какой бы она была. К счастью, средняя температура Земли составляет +15º С. И это как раз следствие парникового эффекта.
Парниковый эффект
Как парник полезен для огородников и садоводов, так же парник в виде атмосферы защищает все живое на Земле. Вспомните теплицы в огородах. Парник прозрачен для солнечных лучей, которые проникают внутрь и нагревают землю. Земля поглощает тепло и излучает радиацию, но уже не коротковолновую, как та, что пришла от Солнца, а длинноволновую. Длина волн другая, потому что температура излучающего тела (Земли) намного меньше, чем температура Солнца. Так вот, для длинноволновой радиации парник непрозрачен и тепло остается внутри теплицы.
Если говорить об атмосфере, то здесь роль пленки или стекла играет атмосферный воздух, который пропускает коротковолновую радиацию от Солнца, и не выпускает длинноволновую радиацию, излучаемую Землей.
Атмосферный воздух содержит в себе много разных газов. Среди основных выделяют азот (78%) и кислород (21%). Но эти газы не участвуют в парниковом эффекте, а те, что участвуют, как раз и называются парниковыми газами. При этом концентрации парниковых газов в воздухе очень малы — меньше 1%. У всех на слуху углекислый газ СО2, метан СН4, оксид азота NО2 и другие. При этом самый главный парниковый газ, о котором часто забывают, — водяной пар. Даже в сознании студентов водяной пар почему-то не ассоциируется с газом.
Водяной пар — уникальное вещество в климатической системе, ведь только молекула H2О может существовать в трех фазовых состояниях — в виде газа (водяного пара), жидкости и льда. Как раз эти фазовые переходы H2О формируют очень многие обратные связи и процессы в климатической системе, в том числе в контексте изменений климата.
— С чем это связано?
— Важно то, что концентрация водяного пара в атмосферном воздухе постоянно меняется, причем в очень широких пределах. Плюс ко всему она сильно зависит от температуры воздуха, распределения водных источников и суши и, конечно, от поступающей энергии, то есть количества солнечной радиации, необходимой для процесса испарения.
Рост объема водяного пара, переносимого по воздуху
Отмечу, что водяной пар — очень мощный парниковый газ.
— Тогда почему больше говорят диоксиде углерода?
— Да, концентрация водяного пара сильно меняется практически ежеминутно, но это колебания, а не тренд. В масштабах сотен лет концентрация водяного пара в среднем по Земле меняется мало, а концентрация углекислого газа — очень существенно. Например, в доиндустриальный период концентрация углекислого газа в атмосфере составляла 280 частей на миллион (ppm), а сегодня — уже 416.
Очевидно, что концентрация СО2 увеличилась в два раза именно за счет антропогенного воздействия.
Но есть и чисто физические особенности, о которых говорят в меньшей степени. Водяной пар поглощает практически все длины волн, которые испускаются Землей, за исключением интервала от 8 до 12 мкм — так называемого окна прозрачности атмосферы. В этом интервале водяной пар выпускает радиацию, излучаемую Землей, в космос. Но при той температуре земной поверхности, которая фиксируется сегодня, именно на этот интервал приходится максимум излучения. И именно на него попадает полоса поглощения СО2. Поэтому при очень небольшой концентрации углекислого газа в атмосфере (менее 1%) за счет целого ряда факторов его суммарный вклад, или радиационный форсинг, в увеличение перехвата теплового излучения Земли весьма значителен. Но с точки зрения средних значений парниковый эффект водяного пара в разы больше.
— Есть мнение, что водяной пар играет колоссальную роль в усилении разрушительных штормов и ураганов и в ускорении климатических изменений. Так ли это?
— Здесь все намного сложнее. Попробуем разложить все по полочкам и разобраться. Прежде всего, ураганы как погодное явление правильнее называть тропическими циклонами. Циклон называют ураганом только тогда, когда скорость ветра в нем превышает 33 м/с. Причем термин "ураган" применяют только к циклонам в Атлантическом океане. Разрушительные тропические циклоны, формирующиеся в северо-западной части Тихого океана, называют тайфунами, а у берегов Австралии — вилли-вилли, но суть одна и та же. Речь идет о тропическом циклоне, который развился до третьей стадии, а скорость ветра превысила пороговое значение.
Гигантские градиенты давления, приводящие к штормовым скоростям ветра, и мощнейшая облачность, которая приносит на материк катастрофические осадки, возникают из-за конденсации влаги, поступившей в процессе испарения с теплой поверхности океана. При этом температура поверхности океана должна превышать 27º C. Именно поэтому тропические циклоны не образуются в тропиках восточной Атлантики или в районе западного побережья Южной Америки, которое омывает холодное Перуанское течение.
После испарения большое количество водяного пара поднимается вверх вместе с воздухом. При конденсации выделяется огромное количество энергии, известное как скрытая теплота конденсации. Это тепло представляет собой источник энергии для существования тропического циклона.
Важно, что тропический циклон — сугубо региональное явление. Он формируется в конкретном районе океана при определенных условиях атмосферной циркуляции.
Поэтому говорить, что глобальное увеличение концентрации водяного пара приведет к усилению конкретного урагана, неправильно. Но из-за климатических изменений и повышения температуры Мирового океана площадь, где температура водной поверхности превышает 27º С, будет увеличиваться. А значит, тропические циклоны смогут формироваться в более высоких широтах, то есть область их распространения будет расти.
Ураган Изабель 2003 года, фотография с МКС — можно чётко увидеть характерные для тропических циклонов глаз, стену глаза и окружающие дождевые полосы
— Станут ли они более разрушительными?
— Сейчас сложно сказать. Согласно некоторым исследованиям, определенные изменения в системе «океан — атмосфера», связанные с природным Атлантическим междекадным колебанием, могут влиять на интенсивность циклонов — увеличивать количество циклонов, которые достигают четвертой и пятой фазы развития; при этом общее количество тропических циклонов меняется мало.
Если говорить о взаимосвязи водяного пара и потепления климата, то и здесь все достаточно сложно и неоднозначно. Действительно, при увеличении температуры возрастает давление насыщения. Проще говоря, это показатель того, сколько водяного пара может вобрать в себя воздух. Напомню, что воздух в зависимости от температуры работает как губка. При этом у каждой губки есть свой предел. В природе показатель впитываемости зависит не от состава воздуха, а от его температуры — чем воздух теплее, тем больше он может вобрать в себя водяного пара. Эта зависимость увеличивается экспоненциально. Если температура воздуха повышается на 3º, то воздух может вобрать в себя водяного пара на 20% больше. Следовательно, абсолютная концентрация водяного пара на Земле при увеличении температуры на 3º станет на 20% больше.
Другой не менее важный показатель — относительная влажность. Она распределена очень неравномерно и при одной и той же температуре может быть совершенно разной. Например, в Крыму или Поволжье климат достаточно сухой, а на побережье Кавказа в Сочи — влажные субтропики. Температуры в этих районах вполне сравнимые, примерно +25º C. Тот, кто сушил полотенце и купальники в этих двух регионах, точно знает, что в Крыму и Поволжье все высыхает значительно быстрее, чем в Сочи, хотя температура одна и та же. Просто в одном случае в воздухе очень мало водяного пара, а в другом — очень много. Разницу между реальным количеством водяного пара в воздухе и количеством, которое он может вобрать, и называют относительной влажностью. Когда воздух содержит максимальное количество пара, которое он может удерживать, его относительная влажность составляет 100%. Например, на западном побережье Южной Америки — в Перу или в Эквадоре — стиральных машинок без сушки попросту не существует. На улице в принципе ничего не сохнет.
Поэтому важно не столько увеличение максимально возможной концентрации водяного пара при росте температуры, сколько реальное изменение его концентрации. И при повышении температуры Мирового океана действительно испарение будет больше, а значит, и в атмосферу будет поступать больше водяного пара.
Согласно последним научным данным, концентрация водяного пара увеличивается, следовательно, парниковый эффект усиливается. Однако необходимо учитывать множество региональных особенностей, связанных с распределением суши и моря, с распределением относительной влажности и источников испарения, а также с эффектом фазовых переходов, облаков и осадков.
— Вы упомянули, что со временем широты тропических циклонов могут быть увеличены. В каких районах, где ранее не наблюдались циклоны, они появятся?
— На самом деле там, где циклонов не было никогда, их и не будет. Речь идет о достаточно узких зонах. Скажем, если сегодня циклоны доходят до 20-го градуса северной и южной широты, то в будущем они смогут образовываться, например, вплоть до 22-го градуса широты.
Но есть интересные особенности взаимодействия между тропическими и внетропическими процессами. Тропический циклон вызывает на побережье ураганы, осадки, наводнения, в океане — штормы. Продвигаясь вглубь континента, он постепенно исчезает вследствие увеличения трения над сушей. Исчезает он и над более холодными водами, когда перемещается в более высокие широты. Но в умеренных широтах есть свои циклоны, которые возникают на атмосферных фронтах. Они менее интенсивны и имеют другой механизм формирования. Но тропический циклон, приближаясь к этим широтам, может слиться с циклоном умеренных широт. Поэтому движение тропического циклона выше 20-го градуса может усилить вероятность регенерации тропических циклонов на полярном фронте.
Карта пути всех тропических циклонов за период 1985 – 2005 годов
— В Европе могут наблюдаться такие слияния?
— Нет. Тропические циклоны выходят на восточные побережья материков, так как они смещаются над океанами в системе пассатного переноса с востока на запад.
Что касается Европы, то здесь реализуются свои явления. Недавно выяснилось, что на Средиземном море образуются циклоны, похожие на тропические. Их назвали «медикейны». Это маленькие, но очень неприятные циклоны, вызывающие интенсивные осадки. Если бы тропический циклон появился в Европе, последствия были бы не менее опасными, чем, например, в Карибском бассейне, но и медикейна с его осадками тоже хватает.
В контексте нашего разговора стоит упомянуть о так называемых обратных связях в климатической системе. Речь идет о каком-то процессе и отклике на него. Отклик может или усилить начальный процесс, и тогда мы говорим о положительной обратной связи, или ослабить — значит, речь идет об отрицательной обратной связи.
В контексте климатических изменений самая известная положительная обратная связь связана с различной отражательной способностью поверхности (альбедо). Проще говоря, при увеличении температуры быстрее тают льды и снега, которые очень сильно отражают приходящую радиацию. При этом увеличивается территория открытой почвы, которая сильнее поглощает радиацию. От нагретой земли нагревается воздух, и температура увеличивается еще больше.
Масса антарктического ледяного щита изменилась за последние десятилетия. Исследования, основанные на спутниковых данных, показывают, что в период с 2002 по 2020 г. Антарктида теряла в среднем 149 млрд тонн льда в год, что способствовало повышению уровня мирового океана. Источник: NASA Climate Change
Но есть и отрицательные обратные связи. Одна из причин потепления климата — увеличение концентрации СО2. Напомню, что один из главных стоков углекислого газа — Мировой океан. При потеплении климата уровень Мирового океана поднимается, а площадь увеличивается. Гипотетически количество поглощаемого СО2 должно расти, хотя пока не так много результатов, которые могут это подтвердить. И даже в самых современных климатических моделях учтены далеко не все обратные связи.
Продолжая разговор о водяном паре, отмечу, что сегодня существуют достаточно понятные и логичные теории, связывающие изменение концентрации водяного пара с потеплением климата, но, к сожалению, не все они подтверждаются данными наблюдений. И если учитывать отрицательные обратные связи, то нельзя однозначно сказать, усиливается ли парниковый эффект при увеличении концентрации водяного пара или возможен иной результат, при котором температура будет уменьшаться. Действительно, при испарении водяной пар поступает в приземный слой воздуха. Дальше воздух может подниматься, при этом охлаждаясь. Вспомним, что количество водяного пара, который может содержаться в воздухе, зависит от температуры. Если температура понизилась, водяной пар, который раньше содержался в атмосфере, становится избыточным. Он превращается в капли влаги, формируя облака. Облако постепенно растет, а капли становятся все тяжелее, и в какой-то момент начинают выпадать осадки. При этом только за счет слияния капель осадки не образуются, в лучшем случае — морось. Для того чтобы выпали осадки в виде дождя или снега, в воздухе должны присутствовать ледяные кристаллы. То есть вода должна содержаться в двух фазах — жидкой и твердой.
Идея отрицательной обратной связи состоит в том, что при выпадении осадков воздух иссушается. То есть после того как выпали осадки, воздух под облаками становится суше, вся влага возвращается на Землю, значит, водяного пара в воздухе становится меньше. При потеплении и усилении испарения, поступлении большего количества водяного пара в атмосферу формируются более мощные облака, выпадает больше осадков. Воздух при этом иссушается, то есть содержит меньше водяного пара. А ведь именно он перехватывает излучение Земли. Получается, что поверхность Земли теряет большее количество тепла, а значит, ее температура будет уменьшаться. Идея выглядит вполне логично, но пока данные наблюдений и расчеты не подтверждают того, что этот эффект преобладает или полностью компенсирует увеличение испарения и концентрации водяного пара за счет роста температуры поверхности океана и воздуха.
— Современные климатические исследования строятся на спутниковых данных и на результатах компьютерных вычислений. Вы сотрудничаете с подразделениями МГУ, которые производят расчеты?
— Конечно. Например, заместитель директора Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ В.М. Степаненко — выпускник нашей кафедры. В этом году он получил премию им. И.И. Шувалова.
Наши сотрудники, студенты и аспиранты проводят вычисления на суперкомпьютере «Ломоносов-2». Активно развивается также отечественная климатическая модель, созданная в Институте вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН. Институт сотрудничает с коллегами из НИВЦ и проводит расчеты на суперкомпьютере МГУ. Поэтому сегодня мы работаем в рамках консорциума МГУ, нашей кафедры, НИВЦ, ИВМ РАН, Гидрометцентра и других научно-образовательных и вычислительных центров России.
Работы направлены на развитие отечественной климатической модели, которая входит в международный проект сравнения моделей. На эти цели ежегодно выделяется финансирование. А наши сотрудники и аспиранты активно участвуют в реализации этого проекта.
— Если сравнить период, когда вы начинали изучать климат, и настоящее время, насколько сильно изменилась приборная база?
— Кардинально изменилась. Например, моя однокурсница в 1990-е гг. защищала кандидатскую диссертацию по спутниковым данным. Так вот, ошибка восстановления профиля температуры на разных высотах тропосферы по данным спутников в то время составляла около 7º C, то есть температура могла равняться либо 10º, либо 17º. Сегодня такая ошибка составляет уже меньше градуса. И это колоссальный прогресс.
Появилось огромное количество электрических и ультразвуковых приборов, автоматических метеорологических станций и многое другое. Климатологи и метеорологи активно проводят измерения с помощью беспилотников. Хотя в арсенале остались барометр и традиционный ртутный термометр.
— Над чем вы работаете сегодня?
— Я продолжаю исследование своего любимого явления Эль-Ниньо, о котором мы говорили в прошлый раз. Однако сейчас я исследую отклик на явление Эль-Ниньо, возникающий в умеренных и даже высоких широтах. Вместе с моей студенткой Марией Коленниковой мы рассматривали отклик циркуляции в тропосфере и стратосфере на различные типы Эль-Ниньо, на тот форсинг или сигнал, который поступает из тропических широт. Мы сравнивали Северное и Южное полушария и выяснили, что отклик разный, то есть и стратосфера, и тропосфера по-разному реагируют на два типа Эль-Ниньо в двух полушариях.
Помимо этого, мы получили грант на исследование экстремальных погодных явлений и их связей с колебаниями потоков парниковых газов, в том числе с прицелом на расширение измерительной приборной базы. Вместе с сотрудником кафедры климатологии и метеорологии профессором А.В. Ольчевым мы задались вопросом, какой отклик могут вызывать экстремальные погодные явления в потоках парниковых газов. Работа начата, и я надеюсь, что мы получим интересные результаты.
— Что может сделать один человек, чтобы внести вклад в решение проблемы климатических изменений?
— Разделять мусор, выключать свет, не лить воду попусту. Казалось бы, это мелочи в масштабе нашей ежедневной рутины, однако и это влияет на общую ситуацию.
