Рождение «глобального потепления»

Print PDF

Кто первым  открыл «париковый эффект»?

Парниковым эффектом называют способность коротковолновой солнечной радиации проходить через прозрачную среду (например, стекло парника или атмосферу), в то время как длинноволновая радиация, излучаемая нагреваемой солнечными лучами поверхностью, стеклом парника (или атмосферой) поглощается. Сванте Аррениус, впервые количественно оценивший повышение температуры Земли при удвоении количества углекислого газа в атмосфере, говорит, что открыл парниковый эффект Фурье: “Фурье утверждал, что атмосфера устроена, как стекло в парнике – потому  что она пропускает легкие лучи Солнца (коротковолновую радиацию — profpr), но задерживает темные лучи, идущие от земли». А Википедия в статье “парниковый эффект” пишет: “Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет»”.

«Записка о температурах земного шара и других планет», вышедшая в 1827-м году и близко повторяющая неизданную в английском переводе статью Фурье 1824-го года, цитируется часто. На нее ссылаются многие  авторы, пишущие про изменения климата, иногда находя в статье прямо противоположные идеи. Историк науки Флеминг, книга которого пробудила когда-то мой интерес к истории климатологии, называет статью Фурье одной из самых неверно цитируемых: о «парниковом эффекте», по мнению Флеминга, Фурье не писал.

На самом деле, «Записка о температурах земного шара и других планет» посвящена теории климата Земли. Фурье подробно анализирует три источника тепла на поверхности Земли: солнечную радиацию, тепло «вечного пламени» в земных недрах и тепло межпланетного пространства. Флеминг приводит вот такую замечательную иллюстрацию физики климата, якобы из статьи Фурье — но в оригинале я ее на нашел, тем более, что написана была статья на французском, а картинка с английскими подписями.

Фурье в нескольких местах делает комментарии, из которых можно предположить, что он описывал суть парникового эффекта. В одном месте он пишет о том, что атмосфера прозрачна для солнечных лучей, но гораздо менее прозрачна для “невидимого тепла” земли. В другом — подробно описывает устройство “гелиотермометра”, ящика, покрытого несколькими слоями стекла, с термометрами между слоями – думаю, отсюда Аррениус и взял идею для своей знаменитой ссылки на то, что атмосфера, по мнению Фурье, похожа на парник.

Фурье говорит, что если бы воздух был твердым, то теплообмен в атмосфере был бы таким же, как и в гелиотермометре: проходящие через прозрачное стекло лучи солнца нагревают темную внутреннюю поверхность ящика, выстланного пробкой, а длинноволновое излучение нагретого дна стеклом задерживается — и излучается во все стороны, из-за чего температура внутри ящика повышается. Кстати, картинку гелиотермометра я нашел на сайте производителя солнечных печек. Я думаю, именно из-за этого «воздух был бы твердым» Флеминг и считает, что ссылка на Фурье как на первооткрывателя «перникового эффекта» неверна — ведь каждый историк науки знает, что воздух ну совсем не твердый. Однако потом Фурье прямо пишет о том, что измерения  гелиотермометром «радиационной температуры» на разных высотах подтверждают существование подобного эффекта и в атмосфере.

Сухой осадок таков. Верны или нет ссылки на статью, но получилось так, что первооткрывателем “парникового эффекта” считается Фурье. И еще. Атмосфера не похожа ни на огромный парник, ни на гелиотермометр в описанных Фурье опытах. Но для понимания этого понадобилось еще 80 лет.

Кстати Фурье, между делом, как само собой разумеющееся, говорит о том, что человек изменяет климат.

Статья Фурье 1827-го года (французский)

Перевод 1837-го года оригинальной статьи Фурье 1824-го года в The American Journal of Science.

Источник profpr

 Прозрачна ли атмосфера? Джон Тиндал, 1859

Атмосфера Земли прозрачна для коротковолновой радиации Солнца.  Атмосфера существенно менее прозрачна для длинноволновой тепловой радиации, испускаемой поверхностью Земли. Французский математик и физик Жозеф Фурье описал эффект поглощения длинноволновой радиации (которую он называл «темными лучами») атмосферой, используя данные «гелиотермометра», и использовал этот эффект в своей теории теплового баланса поверхности Земли. Английский физик Джон Тиндалл  (John Tyndall) впервые лабораторно измерил поглощение тепловой радиации парниковыми газами и количественно оценил зависимость эффекта от концентрации газов.

Успешную карьеру Джон Тиндалл сделал во многом благодаря своему дарованию популяризатора науки. Ранний период — работа геодезистом в Ирландии, преподавателем математики в маленьком частном колледже в Хемпшире, стажировки в университетах Германии с защитой математический диссертации о поверхности шурупов, возвращение в Хемпшир на прежнюю позицию преподавателя математики и геодезии, многочисленные прошения о месте в университеты разных стран. Затем — удачная лекция в Королевском Институте и последовавшее предложение позиции профессора.

К этому моменту  Тиндалл уже приобрел некоторую известность; были и другие предложения работы. В собрании писем Фарадея опубликовано письмо 1858-го года, в котором Тиндалл упрекает Фарадея за неисполнение обещания о повышении годового жалования с первоначальных 200 фунтов стерлингов до 400 и более — а ведь он, Тиндалл, выбирал из пяти предложений места со стартовым жалованием до 600 фунтов, и все равно выбрал Королевский институт, и еще он работает так много, что страдает от умственного истощения! На что Фарадей дает ответ, достойный современного эффективного менеджера: милый Тиндалл, вы меня неправильно поняли, я же ничего вам не обещал, просто приводил пример других профессоров и сказал, что не вижу, почему бы вы не получили аналогичного повышения жалования.

Миссия Королевского института состояла в распространении научных знаний, и Тиндалл оказался исключительно талантливым лектором-популяризатором. Контракт предусматривал 19 лекций в год, оставляя много времени для научной работы и путешествий. Одно из первых путешествий Тиндалл совершил по приглашению Томаса Хаксли, в будущем прославившегося как «бульдог Дарвина». Хаксли исследовал ледники Альп, и Тиндалл заинтересовался работами другого известного исследователя Альп, де Сауссера. Столетие назад де Сауссер измерял интенсивность приходящей солнечной радиации гелиотермометром, и работы Фурье по сравнению показаний гелиотермометра на равнине и в горах (см. часть 3) были основаны на этих измерениях. Но какой газ из составляющих земную атмосферу влияет на поглощение «темных лучей»? И Тиндалл решает провести лабораторные исследования поглощения длинноволновой радиации различными газами.

В приборе Тиндалла термопара Р, соединенная с гальванометром N,  используется для измерения разницы длинноволновой радиации, излучаемой двумя медными кубами С, заполненными кипящей водой. Один из кубов отделен от термопары бронзовой трубкой S, с двух сторон закрытой пластинами каменной соли (в отличие от стекла пропускающей тепловую радиацию). Экран Н, частично прикрывающий второй куб, уравнивает приходящую на термопару радиацию, так что в начале эксперимента стрелка гальванометра находится в нейтральном положении.

Заполняя трубку различными газами, Тиндалл измерял поглощение этими газами тепловой радиации. В первых опытах освобожденный от водяных паров воздух, кислород, азот и водород  отклоняли стрелку осциллографа гальванометра на один градус. Смесь кислорода и озона отклонила стрелку на 4 градуса. Затем этанол (Olefiant gas) на 73 градуса, что эквивалентно поглощению 81% радиации. Тиндалл измерил поглощение тепловой радиации многими газами, известными сегодня как «парниковые». Затем, в новой серии опытов, он  изменял давление парниковых газов в трубке прибора. Доля поглощенной тепловой радиации универсально увеличивалась с ростом давления.

В обсуждении результатов эксперимента Тиндалл замечает, что все изменения климата можно объяснить вариацией концентрации углекислого газа в атмосфере. Через сорок лет Сванте Аррениус задастся вопросом: как результаты эксперимента Тиндалла можно применить для количественной оценки влияния изменения количества парниковых газов на поглощение тепловой радиации в атмосфере — и на температуру всей планеты.

Утром  4 декабря 1894 года нежно любимая жена перепутала пузырьки со снотворным и магнезией, принимаемой Тиндаллом от несварения желудка.

Лекция Тиндалла «Об абсорбции и радиации тепла различными газами и парами», 1861 г.

Источник profpr

Джеймс Кролл. «Астрономическая» теория изменений климата.

Главной проблемой, которую пытались решить исследования климата 19-го века, было объяснение причин оледенений. До сих пор я писал об «углеродном» объяснении. Астрономическое — базируется на исследовании изменений инсоляции. Первый приходящий на ум пример — циклы Миланковича, изменения параметров орбиты Земли, меняющие распределение солнечной энергии по времени и пространству. Но настоящее начало «астрономическая» теория берет с исследований Джеймса Кролла (James Croll).

Джеймс Кролл был талантливым самоучкой, не получившим даже среднего школьного образования — отец каменщик, детство на ферме в Шотландии, любовь к чтению. Вырос на ферме, зарабатывал на жизнь не относящейся к науке работой, ни на одном месте подолгу не задерживался. Работал в колесной мастерской — неудачно. Плотником — заработал воспаление локтя. Торговал чаем — повредил плечо. Продавал страховки, работал в газете, держал трактир для трезвенников, стал уборщиком в колледже. Наконец, Джеймс Кролл получил замечательное для человека его характера место секретаря Шотландской геологической службы: на работу к 10 утра, в 4 часа дня домой, в промежутке — ведение счетов и продажа геологических карт.

Свободное от службы время Джеймс Кролл посвящал чтению научных трудов и собственным исследованиям в физике, геологии и философии. Уединенный образ жизни и доступ к научной литературе (закончил уборку — и в библиотеку колледжа) давали отличную возможность для занятий. Именно в период работы уборщиком в колледже он наткнулся на книгу французского математика Адемара (Joseph Adhémar) о влиянии эксцентричности орбиты Земли на климат и морские течения, побудившую Джеймса Кролла к исследованиям оледенений. Согласно теории Адемара, полярная шапка в полушарии, получающем меньше солнечной радиации, быстро растет, достигая 80-100 км в высоту (по расчетам Адемара, именно такой высоты были льды Антарктиды). Во второй половине цикла при потеплении морские течения подмывают ледяную шапку, разрушение которой вызывают гигантскую волну; таким образом, каждые 13000 лет по поверхности планеты прокатывается катастрофическое наводнение.

К сорока годам Кролл стал авторитетным ученым. В частности, он впервые сформулировал идеи, которые легли в основу работ Миланковича, и на время похоронившие «углеродную» теорию изменений климата. Интересно, что известность не мешала ему отвергать предложения соответствующих этой известности мест — например, лектора в Королевском Институте в Лондоне, подобно Джону Тиндалу, о котором я уже рассказывал.

Ведущим механизмом в теории Кролла тоже были периодические изменения движения Земли (прецессии оси и ее наклона, а также изменения эксцентричности орбиты). Перераспределение приходящей солнечной радиации ведет к изменению климата, которого, однако, недостаточно для начала оледенения. Изменения климата усиливаются положительными обратными связями — например, увеличение площади морского льда, расширение снегового покрова, изменения течения Гольфстрима еще более усиливают похолодание.

Одним из следствий такого подхода было совпадение оледенения в Северном полушарии с потеплением в Южном и наоборот. К началу 20-го века накопленные знания дали понимание того, что многие выводы теории — чередования оледенений или, скажем, окончание последнего оледенения 80000 лет назад противоречат данным, и астрономическая теория была забыта — чтобы снова возродиться в результате работ Миланковича.

Литература
Croll, James, 1864. On the Physical Cause of the Change of Climate During Geological Epochs.
Статья Джеймса Флемминга о исследованиях Джеймса Кролла

Источник profpr

«Раньше ученые предсказывали похолодание, а теперь — потепление.» Сванте Аррениус, 1896. 

Фурье сформулировал теорию теплового баланса Земли, одним из основных компонентов которой был «парниковый эффект», т.е. способность атмосферы быть прозрачной для коротковолновой солнечной радиации и, одновременно, непрозрачной для длинноволновой радиации Земли. Тиндал и другие исследователи второй половины 19-го века измерили долю поглощенной длинноволновой радиации для различных газов. Шведский химик Сванте Аррениус (Svante Arrhenius) предложил первую распределенную климатическую модель и рассчитал с ее помощью влияние изменения концентрации углекислого газа в атмосфере на температуру поверхности Земли.

Основной научной областью Сванте Аррениуса была химия электролитов. Примечательно, что за свои работы, представленные в виде диссертации в университет Уппсала, Аррениус получил оценку, примерно соответствующую тройке с плюсом (non sine laude approbatur). Через девять лет за эти исследования Аррениус получил Нобелевскую премию по химии.

В 1895 году, после года супружеской жизни, Аррениуса покинула жена. София Рудбек, бывшая студентка Аррениуса, красавица и умница, была одной из первых женщин в Швеции, получивших степень бакалавра в естественных науках. Бывшая жена не забывала молодого ученого, посылая письма, в которых рассказывала, как ей хорошо без него жить. Возможно, семейные трудности повлияли на решение Аррениуса погрузиться на полтора года в, как он пишет, самые кропотливые расчеты в его жизни. Расчеты влияния углекислого газа на температуру Земли.

Аррениус отнюдь не стремился узнать, насколько увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере человеком повлияет на температуру в будущем. Его идея была противоположной. Аррениус хотел объяснить чередование холодных и теплых периодов климата планеты в прошлом. В основу гипотезы были положены исследования цикла углерода, выполненные другом Аррениуса геологом Арвидом Хогбомом (Arvid Högbom), показавшие, что концентрация углекислого газа в атмосфере меняется во времени. Углекислый газ обладает парниковым эффектом, но этого эффекта недостаточно ни для объяснения  изменений глобального климата в прошлом, ни для объяснения неоднородности этого изменения: например, тропические области теплеют гораздо меньше, чем приполярные.

 Общая схема регулирования климата в модели Аррениуса такова. Понижение концентрации углекислого газа приводит к уменьшению парникового эффекта и начальному понижению температуры планеты. Более холодный воздух способен удерживать меньшее количество водяных паров, поэтому абсолютная влажность воздуха быстро снижается, и парниковый эффект уменьшается в значительно большей степени (водяные пары менее прозрачны для длинноволновой радиации). Далее, содержащаяся в атмосфере влага выпадает в виде снега; заснеженная поверхность Земли сильнее отражает приходящую солнечную радиацию (увеличивается альбедо поверхности), а воздух становится еще более сухим. Температура воздуха падает еще сильнее. Начинается ледниковый период.

Углекислый газ в модели Аррениуса  — выключатель, запускающий серию «положительных обратных связей», взаимоусиливающихся изменений физических параметров планеты. В результате, относительно небольших колебаний концентрации углекислого газа (-40% ~ +150% , от современной) достаточно для похолодания или потепления градусов на пять-десять. В основу Аррениус взял схему «атмосферы-парника» Фурье, получившую дальнейшее развитие в исследованиях Пуйе (Pouillet), но принципиально ее усложнил. Для того, чтобы посчитать конечный эффект «переключения» на другую концентрацию углекислого газа, Аррениус разделил планету на ячейки размеров 10х20 градусов широты и долготы, и для каждой ячейки посчитал энергетический баланс. Расчеты включали оценку относительной влажности воздуха, облачности, температуры, горизонтального транспорта тепла, вертикальной структуры атмосферы, так что сложность модели не соответствовала точности имеющихся данных. Именно на расчет энергобаланса каждой из примерно 300 получившихся ячеек (полярные области в вычисления не включались)  и были потрачены основные силы. И именно из-за этой сложности можно прочитать, что результаты Аррениуса неверны: в оценке некоторых параметров он сильно ошибался.

Хотя главной целью Аррениуса было объяснение механизма ледниковых периодов, он изучил и возможность влияния человека на климат. Его взгляды были очень схожи со взглядами современных климатических скептиков. Потепление климата — благо для человечества. В популярной книге 1908 года Эволюция Вселенной он пишет:

«Мы часто слышим, что современное поколение растрачивает запасы угля, не заботясь о будущем; мы также ужасаемся жертвам и разрушениям вулканических извержений. Некоторое утешение мы можем найти в том, что и в том, и в другом случае добро сопутствует злу. Благодаря увеличивающейся концентрации углекислого газа в атмосфере, мы сможем наслаждаться веками умеренного, благоприятного климата, особенно в холодных регионах Земли, который принесет гораздо более обильные урожаи на благо быстро увеличивающемуся человечеству.»

Аррениус считал, что удвоение концентрации углекислого газа, несущее такие блага человечеству — дело тысячелетий (в поздних публикаций он сократил срок до восьмисот лет). По современным оценкам, при продолжении текущих темпов роста удвоение концентрации углекислого газа наступит в середине этого века. Конечный результат Аррениуса очень схож с расчетами современных климатических моделей.

Статья Аррениуса в «Философском Журнале«.
Сокращенная HTML — версия статьи.

Источник profpr

“Завершающие штрихи” к объяснению влияния углекислого газа на изменения климата. Чамберлин, 1899

В конце 19-го века Аррениус опубликовал статью, объясняющую чередование холодных и теплых периодов в истории Земли вариабельностью концентрации углекислого газа в атмосфере – эта вариабельность через каскад положительных обратных связей вызывает изменения в энергетическом балансе планеты. Последний штрих, которого не хватало гипотезе Аррениуса – объяснение причин, по которым меняется концентрация углекислого газа в атмосфере.

В 1892-м году президенту университета Висконсина Чамберлину (Chamberlin) надоела административная работа, и он перешел в университет Чикаго на позицию завкафедры геологии. Одной из тем исследований Чамберлина стало развитие гипотезы Аррениуса и Хогборна. Аррениус и Хогборн  объясняли изменения концентрации углекислого газа в атмосфере вулканизмом – что, по мнению Чамберлина, было чрезмерным упрощением и не подтверждалось данными. Чамберлин предложил гипотезу, увязывающую колебания климата с глобальными биогеохимическими циклами. Эта гипотеза основывалась на балансе поступления углерода в атмосферу из недр Земли, и стока углерода в процессе эрозии горных пород.

Ведущим механизмом регуляции количества углерода в атмосфере у Чамберлина являлась эрозия. Горные породы, содержащие соединения кремния (силикаты) на воздухе реагируют с углекислым газом в процессе химического выветривания; при этом из атмосферы поглощается большое количество углерода, в конечном итоге оказывающегося в океане в виде бикарбонатов. Например:

CaSiO₃ + H₂CO₃ → Ca²⁺ + SiO₂ + 2HCO₃⁻

С аналогичным процессом мы все очень хорошо знакомы: коррозия бетона, из которого построены пятиэтажки включает в себя карбонизацию.

В свою очередь, морские организмы используют бикарбонаты для строительства своих скелетов:

Ca²⁺ + SiO₂ + 2HCO₃− → CaCO₃ + H₂CO₃

Часть образующегося таким образом карбоната кальция осаждается на дно океана, а углерод надолго удаляется из атмосферной части цикла.

В период активного горообразования, процесс эрозии интенсифицируется и из атмосферы поглощается большое количество углекислого газа; по расчетам Чамберлина, весь углерод атмосферы мог бы поглотиться за время порядка 5000-18000 лет. Интересно, что эти расчеты столетней давности используют в настоящее время климатические скептики для “доказательства” того, что причин для волнений относительно антропогенных углеродных эмиссий нет: весь этот углерод атмосферы все равно исчезнет в океане в процессе карбонизации. Конечно, исчезнет – через тысячи лет.

С уменьшением концентрации углекислого газа в атмосфере, температура уменьшится и начнется ледниковый период. Рисунок иллюстрирует полностью (или почти полностью) покрытую ледниками Землю (Snowball Earth).

Однако, это снижение температуры уменьшит и сток углерода из воздуха, например, из-за того, что обширные территории будут защищены слоем  льда. Со временем, вулканическая деятельность приведет к новому увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере и к соответственному увеличению парникового эффекта. Рост температуры приведет к изменениям  в биогеохимических циклах, в том числе к усилению притока углекислого газа из океана в атмосферу и увеличению концентрации водяных паров. Это вызовет дальнейший подъем температуры. Но, с сокращением площади ледников, эрозия горных пород приведет к увеличению стока углерода из атмосферы, и начнется новая осцилляция.

Инициатором процесса изменения климата, таким образом, являются тектонические деформации земной коры, запускающие изменения в циклах углерода и воды. Вместе с тем, гипотеза Чамберлина включала в себя многочисленные вторичные процессы: выравнивание градиента температур разных широт в период высокой концентрации СО₂, изменения переноса тепла из тропиков в высокие широты океаническими течениями, изменения “биопомпы” (захоронения углерода в процессе жизнедеятельности морских организмов) и многое другое. Комбинация многочисленных положительных и отрицательных обратных связей приводит к чередованию холодных и теплых периодов в истории Земли.

Мне кажется, что формулировка такой стройной гипотезы, увязывающей геологические, атмосферные и океанические процессы с климатом, ознаменовала высшую точку в начальном периоде изучения механизма изменения климата Земли. Уже через несколько лет эта гипотеза будет отвергнута, а Чамберлин в частном письме пожалуется:

«К сожалению, выводы Аррениуса … видимо неверны… Я очень сожалею, что оказался в числе ранних жертв его ошибки».

К слову, эту фразу тоже очень любят цитировать климатические скептики в своих «доказательствах.»

Статья историка науки Флеминга про Чамберлина.
Статья Чамберлина (1899 г.), излагающая его гипотезу.

Источник profpr

1900 – 1950е. Влияния углекислого газа на климат нет и быть не может.

Работами Сванте Аррениуса заканчивается начальный период исследований динамики климата. Основным предметом дискуссии было, конечно,  объяснение периодических оледенений, а не потепление, и тем более не негативные эффекты потепления климата. Арренииус, например, полагал, что удвоение концентрации СО₂ в атмосфере, которое, если современный тренд сохранится, произойдет к середине этого века, займет тысячи лет, и исключительно положительно повлияет на сельское хозяйство.

В первую половину 20-го века основные гипотезы о механизмах изменения климата, о которых я писал раньше, получили дальнейшее развитие. По словам Флеминга, Брукс насчитал в своем обзоре (Brooks, 1950) 69 таких гипотез, от континентального дрифта* до перемещения Солнечной системы в области с высокой концентрацией межзвездного газа, повышающего приток энергии Солнца. Более подробно про основные гипотезы рассказывается в Справочнике Климатологии 1903-го года издания. Среди этого многообразия работа Аррениуса большинством современников считалась ошибочной – отчасти потому, что она действительно содержала ошибки, отчасти из-за неправильно интерпретированных новых данных.

Основная критика гипотезы Аррениуса основывалась на исследованиях Кнута Ангстрема. Эксперементально было показано, что увеличение концентрации углекислого газа оказывает влияние на “парниковый эффект” только при очень малых начальных концентрациях, гораздо меньших, чем современные;  изменение концентрации СО₂ в “разумных” пределах практически не сказывается на парниковом эффекте.  Например, сотрудник Ангстрема герр Кох исследовал прохождение тепловой радиации через трубку, содержащую углекислый газ в различных пропорциях и  нашел, что снижение концентрации углекислого газа до 1/3 от современного уровня изменило поглощение радиации в трубке всего на 0.4%. С другой стороны, спектроскопические исследования показали, что линии поглощения СО₂ полностью перекрываются линиями водяного пара – а воды в атмосфере всегда хватает. С третьей, в нижних слоях атмосферы теплообмен преимущественно осуществляется конвекцией, поэтому сама модель радиационного теплообмена Аррениуса была порочна. Наконец, предполагалось, что даже если углекислый газ и был бы способен повлиять на климат, любое отклонение его концентрации от равновесной тут же компенсируется изменением стока стока СО₂ в растительность* и, в особенности, океаном, в котором содержание растворенного СО₂ во много раз превышает атмосферный пул.

В итоге, первые работы по влиянию состава атмосферы на изменения климата оказались более или менее забыты до 50-х годов, когда, с одной стороны, появилась возможность надежно измерять изменения концентрации СО₂ в атмосфере, с другой, многослойная модель атмосферы позволила переместить “парниковый эффект” на «правильное место», к границе тропосферы, где практически отсутствуют водяные пары, с третьей, направленными модификациями климата заинтересовались военные. Отдельные ученые, однако, продолжали исследования влияния углекислого газа атмосферы на климат. Наибольшую известность среди них получили работы Гая Каллендара, который в конце 30-х годов обнаружил, что  с начала века количество углекислого газа в атмосфере выросло на 10% — значительно быстрее, чем предполагалось. Но про это в следующий раз.

* ”Гомеостатическая регуляция ” атмосферного СО₂ растительностью, в двух словах, означает, что увеличение концентрации углекислого газа ведет к ускорению фотосинтеза , из атмосферы поглощается больше СО₂ и, в итоге, концентрация СО₂ снова снижается. Практическое значение этого эффекта до сих пор не вполне ясно. Интересные работы по экспериментальной “СО₂-фертилизации” растений публикуются в рамках проектов FACE; похоже, что за первоначальным быстрым ускорением роста растений в обогащенной углекислым газом атмосфере следует стабилизация [в полевом опыте, а не в теплице и первоначальный эффект незаметен].

Материал для этой заметки во многом изложен в книге Флеминга “Historical perspective on climate change”.

Источник profpr

 1958. Систематические измерения концентрации углекислого газа в атмосфере.

Кривая Килинга – это график, показывающий непрерывный рост концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, начиная с 1958-го года. С начала измерений количество СО₂ выросло уже на четверть, а с начала “индустриальной эпохи” в о второй половине 19-го века – на 40%. В те времена ученые воспринимали этот рост как интересный геофизический эксперимент. Конечно, состав атмосферы к 50-м годам был хорошо известен. Проблема была в огромном разбросе результатов измерений концентрации СО2. С одной стороны, этот разброс был вызван неточностью измерений: образец воздуха отбирался в стеклянную емкость и отсылался в лабораторию. С другой, количество углекислого газа в воздухе существенно менялось в зависимости от близости к городам, времени суток, сезона, направления ветра и географической широты отбора образцов. Джон Каллендар, о котором я напишу где-нибудь в №8 или 12 считал, что нередко такие ошибки достигали 100%. После отброса всех чрезмерно завышенных и заниженных результатов, внутригородских измерений, разовых замеров, данных для анализа оставалось немного — как хорошо видно из графика, приведенного в статье Каллендара.

Но была и другая причина: результаты Каллендара намекали на сильный рост концентрации углекислого газа за первую половину 20-го века. Это противоречило устоявшемуся мнению о роли океана в регулировании атмосферного СО2: в океане количество углерода в 50 раз превышает атмосферное; любое добавочное количество углекислого газа будет тут же поглощено океаном из атмосферы. Наконец, гипотезе о том, что промышленные выбросы углекислого газа остаются в атмосфере, противоречили только что появившиеся данные радиоуглеродного анализа.

Дейв Килинг был начинающим постдоком в Калтехе (Калифорния), которого профессор снял с проекта по извлечению урана из гранита, и поставил на “углеродный проект”. В скором времени Килинг начал проводить серии точных измерений СО2 в разных местах США. Череда удачных событий, особенно встреча с пионером изучения глобальных изменений климата Роджером Ревеллем, привела к тому, что в финансирование Международного Геофизического Года были заложены средства на измерение СО₂ во множестве мест, и, в частности, создание постоянной обсерватории на вершине горы Мауна Лоа (Большой Остров, Гавайи) и в Антарктиде.

Недостаток средств привел к тому, что все эти измерения носили более-менее разовый характер — все, кроме обсерватории на Мауна Лоа. Заслугой Килинга были не только сами измерения, но и огромная работа по поиску средств для поддержания функционирования его обсерватории. На картинке (Институт Океанографии, La Jolla, CA) показаны многочисленные критические моменты , когда обсерватория была на грани закрытия.

Сейчас измерения концентрации углекислого газа в воздухе проводятся во многих местах земного шара, однако ряд обсерватории Мауна Лоа остается самым длинным и практически непрерывным — как можно убедиться, единственный пробел в измерениях был в 1964-м году, когда оригинальный датчик, наконец, помер. Дейв Килинг заведовал обсерваторией до конца жизни, а сейчас обсерваторией заведует его сын.

Источник Profpr

 1965-1975. Первые модельные оценки влияния выбросов СО₂ на температуру 

Два часто повторяемых «климатическими скептиками» утверждения:

1. Раньше климатологи вешали нам лапшу на уши про всемирное похолодание, а теперь — про потепление;
2. Раньше климатологи нам говорили про потепление климата, и что же, прошло уже 50 лет — прогнозы явно не сбылись.

Как же оно было на самом деле тогда, раньше? И когда было это «раньше»?

Для появления модельной оценки влияния увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере требовалось два условия, интерес к последствиям выброса СО₂, и собственно существование моделей. Интерес появился в начале 60-х, когда, с одной стороны, систематические измерения в обсерватории на Мауна Лоа (рядом с национальным парком на Большом острове Гаваев) показали существенное изменение состава атмосферы (кривая Килинга); с другой, некоторые исследования показали возможность существенно нелинейного отклика атмосферы. С динамическими моделями атмосферы было хуже.

Первая модель, точнее, несколько поколений моделей, развиваемых Суки Манабе (Manabe) под руководством разных боссов в General Circulation Research Lab в Вашингтоне, была и с самой богатой историей, идущей еще от идей ведения климатических войн 1940-х годов. Сейчас это — GFDL.

Еще одна модель в конце 60-х была сделана в Университете Калифорнии — Лос Анжелес Минцем и Акио Аракавой (Minтz and Arakawa). Версии этой модели распространялись по лабораториям и университетам разных стран мира, где развивались уже независимо. К примеру, модель ВЦ АН СССР — была веткой модели Минца — Аракавы.

Наконец, в Национальном Центре Атмосферных Исследований NCAR в конце 60-х Акира Касахара и Варрен Вашигтон (Akira Kasahara and Warren Washington) написали модель NCAR. Этими тремя группами и исчерпывалось все богатство действующего инструментария к началу 70-х. Интересно, что все три модели были написаны и запрограммированы эмигрировавшими в США японскими учеными, связанными с  группой динамической метеорологии университета Токио.

Если посмотреть на результаты современных GCM, они представляют из себя непрерывные линии, что-то типа вот таких. Но начиналось все с расчетов «равновесного» состояния атмосферы с удвоенной концентрацией СО₂ — на большее не хватало мощности компьютеров. Когда такое состояние будет достигнуто, каким путем — оставалось за рамками модели. Все три модели показали примерно одинаковую чувствительность с изменением глобальной температуры на +2 — +4.5⁰С при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере. Сейчас, через 40 лет, результаты существенно более продвинутых моделей остались примерно теми же.

Более подробно здесь, здесь и здесь.

Источник profpr

Прогноз изменения климата тридцатилетней давности оказался жуть каким точным

Дмитрий Целиков

В августе 1981 года журнал Science опубликовал статью, в которой было сделано несколько прогнозов относительно будущего изменения климата и антропогенного глобального потепления из-за выбросов углекислого газа. Как ни странно, предсказания оказались довольно точными. Будущее авторов стало нашим настоящим.

Статья, написанная группой атмосферных физиков во главе с Джеймсом Хансеном из Института космических исследований Центра космических полётов НАСА им. Годдарда (США), была обнаружена Гертом Яном ван Ольденборгом и Рейном Хаарсма из Королевского метеорологического института Нидерландов. Исследователи ушли на больничный, на досуге подняли подшивки старых журналов и отчитались о прочитанном в блоге RealClimate.org. Десятистраничная работа (помимо прогнозов) охватила множество вопросов климатологии.

«Понятия и выводы с тех пор не так уж изменились, — пишут голландцы. — Всё, что тогда считалось хорошо известным, имеет такой статус и сегодня».

Вот что там было, к примеру, написано:

«С середины 1960-х годов по 1980-й мировая температура поднялась на 0,2˚С, уступив потеплению на 0,4˚С, зарегистрированному в прошлом веке. Это повышение температуры согласуется с расчётами парникового эффекта, связанного с измеряемым увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере. Вариации содержания вулканических аэрозолей и, возможно, солнечной светимости оказываются основной причиной наблюдаемых колебаний повышения температуры. Показано, что к концу века антропогенное углекислое потепление должно выйти из уровня вариаций естественной изменчивости климата, и существует высокая вероятность потепления в 1980-х годах. Потенциальное воздействие на климат в XXI веке включает создание засушливых областей в Северной Америке и Центральной Азии в рамках смещения климатических зон, эрозию Западно-Антарктического ледового щита с последующим повышением уровня моря во всём мире и открытием легендарного Северо-Западного прохода».

Как видим, большинство предсказаний уже сбылось. Действительно, появились регионы, получающие осадков меньше обычного. Антарктический лёд трещит по всем швам, гренландские киты срезают дорогу в Тихий океан по Северо-Западному проходу.

«В свете исторических свидетельств о том, что на отказ от определённого вида топлива уходит несколько десятилетий, серьёзное изменение климата становится неизбежным, — отмечали также Хансен и соавторы. — Воздействие двуокиси углерода на климат делает использование угля нежелательным. Соответствующая стратегия может заключаться в поощрении энергосбережения и развития альтернативных источников энергии при использовании ископаемого топлива лишь по мере необходимости».

Упомянутые «несколько десятилетий» подходят к концу, но стимулирование энергосбережения и разработка альтернативных источников энергии пока оставляют желать лучшего.

Подготовлено по материалам Universe Today.

Источник Компьюлента

Увы, статья в Science 1981 года была подзабыта, и её материалы подняли до некоторой степени случайно; пара голландских климатологов ушла на больничный, и порылась в старых подшивках. Что иллюстрирует уже обсуждавшуюся неприятную закономерность, что Интернет/электронный доступ к журналам ускорил забывание статей, сразу не привлекших к себе внимания.

И характерно, что рост концентрации углекислого газа в США не наводил учёных на какие-то размышления, пока военные не заинтересовались «климатическими войнами». В 1960-х гг. в СССР Михаил Иванович Будыко на основании этих данных пришёл к выводам о происходящим потеплении, движимый чисто научным интересом, утверждая его как бы «на кончике пера» — поскольку в это время был не очень заметный повышательный тренд сильно перебит очередным прохладным-влажным периодом (столь явственных потом уже и не было)

Источник naturschutz