Суперпарниковый эффект и ветры как регуляторы глобальной температуры

Полезная точка зрения для понимания роли природных экосистем в регулировании климата

Анастасия Макарьева, 31 августа

О нашем виде говорит то, что, как только люди смогли выращивать больше пищи, чем требовалось каждому человеку, они начали поддерживать особей, роль которых заключалась не в охоте или сборе урожая, а в том, чтобы задавать вопросы и заниматься наукой. По-видимому, эта деятельность была воспринята (некоторой частью) общества как полезная. В случае фундаментальной науки ценность, помимо чисто интеллектуальной радости от открытий (а способность испытывать эту радость и делиться ею, должно быть, заложена в Homo sapiens генетически), заключается в том, чтобы предлагать новые взгляды на то, как функционирует мир. Прежде чем решить какую-либо проблему, ее необходимо правильно сформулировать. Действительно, имеет значение, видим ли мы Землю плоской или сферической, что является основополагающей точкой зрения, которую предлагает фундаментальная наука.

Точно так же, когда мы населяем живую планету, важно, правильно ли мы понимаем роль жизни в формировании условий, которые поддерживают наше существование. Сегодня я расскажу о некоторых редко упоминаемых аспектах понятия стабильности климата, которое важно в этом контексте.

Супер Парниковый эффект
Наша планета поглощает коротковолновое излучение Солнца и испускает длинноволновое излучение обратно в космос. Чтобы наглядно представить это, можно сказать, что входящие коротковолновые фотоны в среднем примерно в 20 раз более энергичны, чем исходящие длинноволновые — это соотношение обусловлено разницей температур между Солнцем (около 6000 К) и Землей (около 300 К). В устойчивом состоянии, когда входящая и исходящая энергия уравновешены, это означает, что каждый поглощенный солнечный фотон эффективно «распадается» примерно на 20 тепловых фотонов, которые излучает Земля. Это то, что поддерживает жизнь.

Атмосфера Земли в значительной степени прозрачна для входящего коротковолнового солнечного излучения, что позволяет ему достигать поверхности. Однако она поглощает большую часть выходящего длинноволнового теплового излучения и частично возвращает его обратно на поверхность. В результате длинноволновое излучение, выходящее в космос и уравновешивающее поглощенную солнечную радиацию, значительно меньше, чем излучение, излучаемое поверхностью планеты. Чем сильнее парниковый эффект, тем меньше становится эта доля выходящего излучения.

Мы можем количественно оценить парниковый эффект по этому соотношению, пусть это будет k, длинноволнового излучения, выходящего в космос, к длинноволновому излучению, испускаемому поверхностью. (Для нашего нынешнего климата k = 0,6.) Стабильность климата будет зависеть от того, как парниковый эффект отреагирует на изменения температуры на планете.

Что нам также нужно помнить, так это то, что поверхность планеты излучает больше радиации при нагревании и меньше при охлаждении. Это играет ключевую роль стабилизатора: в отсутствие парникового эффекта, если планета временно прогреется, например, из—за повышенной солнечной активности, она будет излучать больше радиации, пока исходящий поток не уравновесит возросшую поступающую солнечную радиацию. Затем температура стабилизируется на новом равновесном уровне.

Теперь давайте представим, что по мере того, как поверхность планеты нагревается, атмосфера становится еще более непроницаемой для длинноволнового излучения — настолько, что выходящее излучение в верхних слоях атмосферы уменьшается, даже при увеличении радиации на поверхности. Это явление известно как суперпарниковый эффект. Это представляет собой потенциальный источник климатической нестабильности.

Еще раз уточним: “обычный” парниковый эффект связан с тем, что излучение, исходящее в космос, ниже, чем излучение, излучаемое поверхностью планеты. По мере повышения температуры поверхности и радиации соотношение между исходящим и поверхностным излучением может увеличиваться (хотя и маловероятно), оставаться постоянным или уменьшаться. В частном случае, когда это соотношение уменьшается еще быстрее, чем увеличивается радиация на поверхности, исходящее излучение будет уменьшаться по мере нагревания поверхности. В этом случае мы имеем дело с суперпарниковым эффектом.

Избавление от тепла
На приведенном ниже графике показано соотношение радиации на поверхности к исходящему излучению, т.е. 1/к, в безоблачных и облачных условиях. Это показывает резкое увеличение этого соотношения при более высоких температурах. Это происходит потому, что исходящее излучение быстро уменьшается, что препятствует эффективному выделению тепла из атмосферы.

На рис. 9а работы Стивенса и Гринвальда (1991) показано отношение поверхностного излучения к исходящему излучению (т.е. 1/к) в зависимости от температуры поверхности. Согласно закону Стефана-Больцмана, излучение на поверхности увеличивается пропорционально четвертой степени температуры. Резкий скачок при более высоких температурах вызван снижением исходящего излучения. Аналогичное, но меньшее снижение было обнаружено в условиях ясного неба Равалом и Раманатаном (1989).

Следующие изображения иллюстрируют географию сверхпарникового эффекта в модельном эксперименте, который начался в условиях, аналогичных тем, что были в 1860 году, и, при ежегодном увеличении концентрации CO₂ на 1%, примерно к 1999 году концентрация CO₂ увеличилась в четыре раза.

Рис. 1 по материалам Stephens et al., 2016

На левой верхней панели показано, что поверхность планеты прогрелась повсеместно, что привело к повсеместному увеличению радиации на поверхности. Однако исходящая радиация снизилась на большей части тропического океана, особенно в Северном полушарии. Это показано на правой верхней панели для облачных условий и на левой нижней панели для безоблачных условий.

Если поверхность нагревается, но не может отдавать избыточное тепло, она будет продолжать нагреваться. Если этот процесс затронет всю планету, это может быстро привести к возникновению условий, несовместимых с фотосинтезом и современной жизнью. Единственный способ предотвратить такой сценарий — это экспортировать избыточное тепло из регионов, испытывающих сверхпарниковый эффект, и направлять его в космос в других местах.

Этот экспорт тепла происходит за счет атмосферной циркуляции, что подчеркивает важную роль ветров.

Ветры как регуляторы температуры: что мы знаем?
Из приведенных выше рисунков мы можем видеть, что, по крайней мере, согласно моделям, регионы в тропиках, которые не испытывают сверхпарникового эффекта, являются территориями суши. Эффективный атмосферный перенос избыточного тепла из океана на сушу может помочь предотвратить экстремальные условия.

В частности, атмосферный перенос влаги из Атлантического океана в тропические леса Амазонки может смягчить парниковые условия над океаном. Это подчеркивает потенциальную важность циркуляции биотического насоса для тропического и глобального климата.

Учитывая важность атмосферной циркуляции, понимание ее количественных параметров имеет первостепенное значение для понимания изменений климата. Хотя наиболее очевидной характеристикой является скорость приземного ветра, с которой мы все сталкиваемся, другим важным параметром является скорость, с которой генерируется кинетическая энергия ветра для поддержания циркуляции и предотвращения потерь на трение.

Хотя всем известно, что обычная скорость ветра составляет несколько метров в секунду, мало кто может точно определить скорость выработки кинетической энергии в атмосфере Земли. Тем не менее, это жизненно важный параметр. Без постоянной регенерации кинетической энергии за счет перепадов давления воздуха (которые перемещают воздух от высокого давления к низкому) атмосфера быстро застыла бы, что сделало бы невозможным вывоз тепла из местных горячих точек.

Насколько хорошо мы знаем этот показатель? Согласно недавнему учебнику (Борен и Альбрехт, 2023, 2-е издание «Термодинамики атмосферы»), не очень хорошо. Говоря о глобальном атмосферном тепловом двигателе, они отмечают:

В атмосфере глобальная скорость рассеивания кинетической энергии, которая уравновешивает скорость генерации, составляет около 2-5 Вт/м2.

Хорошая ли это точность? Не совсем. Например, в модельном исследовании Marvel et al., проведенном в 2013 году с целью оценки того, сколько дополнительной энергии ветра может быть извлечено из атмосферы, было обнаружено, что примерно удвоение мощности атмосферы привело к глобальному похолоданию на 11 Кб! Ячейка Хэдли распространилась до полюсов, подавляя выпадение осадков и образование облаков в более высоких широтах.

Это не означает, что существует (линейная) зависимость между температурой планеты и силой атмосферной циркуляции, но это показывает, что циркуляция воздуха оказывает огромное влияние на климат планеты. Сохранение неопределенности в отношении ее ключевых количественных характеристик бесполезно.

Здесь мы отмечаем, что атмосферная динамика, вызванная конденсацией (физический механизм, лежащий в основе биотического насоса), позволяет теоретически оценить скорость выработки кинетической энергии на основе известной скорости выпадения осадков (поскольку ветры, вызванные биотическим насосом, управляются градиентами давления, вызванными конденсацией). Иными словами, мы берем наблюдаемые осадки, умножаем их на теоретически рассчитанное потенциальное выделение энергии из 1 моля конденсированного водяного пара и получаем прогноз глобальной мощности атмосферы.

Затем мы можем сравнить этот прогноз с наблюдаемой атмосферной мощью, рассчитанной на основе независимо измеренных скоростей ветра и градиентов давления.

Когда было проведено это глобальное сравнение, несоответствие между теорией и наблюдениями составило около 30%, что является замечательным результатом, особенно в отсутствие каких-либо конкурирующих теорий о глобальной мощности атмосферы. Благодаря этому и другим удачным теоретическим предсказаниям, нашу работу было нелегко отвергнуть на раннем этапе, несмотря на многочисленные попытки. Вместо этого было признано, что она открывает принципиально новый взгляд на динамику атмосферы.

Успешная теория связывает независимо наблюдаемые переменные. Динамика, вызванная конденсацией, делает именно это — для осадков, скоростей ветра и градиентов давления. Это не исключает дифференциального нагрева как движущей силы ветров. Но, как отметил Герц в своей неопубликованной лекции по динамике атмосферы,

Если бы атмосфера была сухой, существующие в ней перепады температур сами по себе вызывали бы лишь незначительные колебания.

Насколько мы близки к неуправляемому парниковому эффекту?

Эти же модели применяются для реконструкции гораздо более теплого климата в прошлом, известного как «теплицы». Некоторые из этих древних климатов также описываются как «ровные», что означает, что в них была очень небольшая разница температур между экватором и полюсами. Это подразумевает эффективный меридиональный перенос тепла.

Однако модели с трудом воспроизводят эти условия. В частности, они часто не соответствуют известному сочетанию очень высоких температур и более умеренно повышенных концентраций CO₂. Некоторые модели, пытаясь воспроизвести эти прошлые состояния, демонстрируют непредсказуемое поведение.

На графиках ниже показано, как различные модели пытаются воссоздать тепличные условия раннего эоцена.

Рис. 1а,б по материалам Zhu et al. (2024).
На панели (а) показано, как различные климатические модели (перечисленные под рисунком) пытаются согласовать глобальную среднюю температуру поверхности (GMST) и уровни CO₂ (относительно доиндустриального периода) в период “ровной” теплицы раннего эоцена, показанные в виде больших серых прямоугольников. Модель CESM1 попадает в сердцевину коробки, но начинает испаряться при более высоком уровне CO₂. CESM2 испаряется еще раньше, при более низких уровнях co₂.
На панели (b) показана меридиональная разница температур поверхности моря (δsstₘ), которая, по некоторым оценкам, была очень мала в эоцене.
В совокупности эти панели показывают, что ни одна из моделей не соответствует одновременно температуре эоцена и δsstₘ и не позволяет избежать резкого потепления.

Ученые отвергают неконтролируемое поведение климата в моделях как физически неправдоподобное, утверждая, во-первых, что в недавней истории Земли нет геологических свидетельств неконтролируемого парникового эффекта, а во-вторых, что некоторые модели не показывают такого поведения. Но это слабые аргументы. Просто потому, что чего-то не происходило раньше, не означает, что этого не может произойти.

Более того, если мы примем собственный подход климатического сообщества к оценке вероятностей, такой как у Палмера (2025), где вероятность потепления более чем на 4 К в результате удвоения CO₂ рассчитывается просто как доля моделей МГЭИК, которые это предсказывают, то тот факт, что две из трех моделей CESM (CESM1, CESM2, CESM3), проявляющие убегающее поведение, вряд ли обнадеживают.

Кто-то может возразить, что эти сценарии «выброса» проявляются только при чрезвычайно высоких концентрациях CO₂, но, возможно, это просто потому, что никто не финансировал разработку моделей, которые позволили бы «выброситься» при более низких, более реалистичных концентрациях.

Насколько мы можем быть уверены в том, что невозможно, если сообщество разработчиков моделей склоняется к аналогичным предположениям и сценариям, вместо того чтобы приветствовать и исследовать несоответствия, чтобы лучше определить границы возможного? Как мы можем быть уверены, что были заданы все правильные вопросы?

Что принципиально отличает нашу нынешнюю ситуацию от прошлых периодов с высоким уровнем климата, так это то, что тогда ни один биологический вид не объявлял войны биосфере. Сегодня мы систематически уничтожаем жизнь везде, где только можем, делая вид с научной и политической точек зрения, что это никак не влияет на климат. А потом мы удивляемся, когда наши модели не могут предсказать аномалии потепления или нарушения круговорота воды.

Давайте надеяться, что «бегство» еще не началось, и будем действовать быстро, чтобы защитить биосферу. Прекратите разрушать ее. Дайте ей возможность дышать. Мы можем быть удивлены тем, как быстро окружающая среда может начать восстанавливаться.

Упрощенные выводы
Когда становится достаточно жарко и влажно, атмосфера может перестать выделять дополнительное тепло в космос. Это называется суперпарниковым эффектом.

Если это произойдет по всей планете, это может привести к безудержному парниковому эффекту — быстрому потеплению, которое может продолжаться до тех пор, пока большая часть океана не испарится. Что-то подобное, возможно, произошло на Венере.

Некоторые современные климатические модели показывают, что это может происходить и на Земле.

Чтобы предотвратить это, тепло должно отводиться из жарких и влажных регионов и выбрасываться в космос где-то в другом месте. Эту работу выполняют ветры.

Перемещение атмосферной воды из океанов в тропические леса может быть особенно важным для поддержания стабильности климата.

Чтобы изучить это, нам нужно понять, как возникают ветры. Атмосферная динамика, вызванная конденсацией, лежащая в основе биотического насоса, помогает объяснить этот процесс.

Когда мы разрушаем природные экосистемы, мы ослабляем способность климата оставаться стабильным.

Рассылка Международного Социально-экологического Союза