Деятельность человека способствует изменению климата, вызывая изменения концентрации в атмосфере парниковых газов, аэрозолей (мелких частиц) и облачности. Наибольший известный вклад вносит сжигание ископаемых видов топлива, при котором в атмосферу выбрасывается углекислый газ. Парниковые газы и аэрозоли влияют на климат путем изменения поступающего солнечного излучения и уходящего инфракрасного (теплового) излучения, которые являются частью энергетического баланса Земли. Изменение избытка этих газов или частиц в атмосфере или их свойств может привести к потеплению или охлаждению климатической системы. С начала индустриальной эпохи (около 1750 г.) общим эффектом деятельности человека для климата стало потепление. Влияние человека на климат на протяжении этой эпохи значительно превышает воздействие в результате известных изменений в естественных процессах, таких как изменения на Солнце и извержения вулканов.
Парниковые газы
Деятельность человека приводит к выбросам четырех основных парниковых газов: углекислого газа (CO2), метана (CH4), закиси азота (N2O) и галоидоуглеводородов (группы газов, в которую входят фтор, хлор и бром). Эти газы накапливаются в атмосфере, вызывая со временем повышение концентрации. В индустриальную эпоху имели место значительные увеличения концентрации всех этих газов (см. рис. 1). Все эти увеличения можно отнести на счет деятельности человека.
- Рост выбросов углекислого газа стал результатом расширения использования ископаемых видов топлива в транспортной отрасли, в отоплении и охлаждении зданий, в производстве цемента и другой продукции. Обезлесение приводит к высвобождению CO2 и сокращает его поглощение растениями. Углекислый газ также высвобождается в естественных процессах, таких как гниение растительной массы.
- Выбросы метана увеличились в результате деятельности человека, связанной с сельским хозяйством, распределением природного газа и деятельностью свалок. Метан также высвобождается при естественных процессах, которые происходят, например, на водно-болотных угодьях. В атмосфере концентрация метана сейчас не увеличивается, так как за последние два десятилетия темпы роста снизились.
- Выбросы закиси азота также являются следствием деятельности человека, в частности, применения удобрений и сжигания ископаемых видов топлива. N2O также высвобождается в ходе естественных процессов в почвах и океанах.
- Концентрация галоидоуглеводородов возросла, в основном, из-за деятельности человека. Незначительный вклад вносят и естественные процессы. Среди основных галоидоуглеводородов – фреоны (например, ХФУ-11 и ХФУ-12), которые широко применялись как охлаждающие вещества и в других промышленных процессах до того, как было установлено, что их присутствие в атмосфере вызывает истощение стратосферного озона. Избыток фреонов сокращается в результате введения международных норм, призванных защитить озоновый слой.
- Озон – это парниковый газ, который непрерывно вырабатывается и уничтожается в атмосфере в ходе химических реакций. В тропосфере количество озона увеличилось вследствие деятельности человека, благодаря выбросам таких газов, как окись углерода, углеводороды и окись азота, в ходе химической реакции которых образуется озон. Как упоминалось выше, галоидоуглеводороды, образующиеся в процессе деятельности человека, разрушают озон в стратосфере и уже привели к образованию озоновой дыры над Антарктидой.
- Самый распространенный и важный парниковый газ в атмосфере – водяной пар. Тем не менее, деятельность человека оказывает лишь незначительное прямое воздействие на содержание водяного пара в атмосфере. Если говорить о косвенном влиянии, то люди могут существенно воздействовать на количество водяного пара путем изменения климата. Например, более теплая атмосфера содержит больше водяного пара. Деятельность человека также влияет на водяной пар посредством выбросов CH4, так как CH4 подвергается в стратосфере химическому разрушению, выделяя незначительное количество водяного пара.
Аэрозоли – это присутствующие в атмосфере мелкие частицы, размер, концентрация и химический состав которых очень сильно разнится. Некоторые аэрозоли испускаются прямо в атмосферу, а некоторые образуются из испускаемых соединений. Аэрозоли содержат как естественные соединения, так и соединения, выброшенные в атмосферу в ходе деятельности человека. Сжигание ископаемых видов топлива и биомассы увеличили концентрацию аэрозолей, содержащих соединения серы, органические соединения и углеродную сажу (копоть).
ЧЗВ 2.1, Вставка 1: Что такое радиационное воздействие?
Что такое радиационное воздействие? Влияние фактора, который может вызвать изменение климата, например, парникового газа, часто оценивают с точки зрения его радиационного воздействия. Радиационное воздействие – это мера того, как энергетический баланс системы Земля-атмосфера меняется, когда изменяются факторы, влияющие на климат. Слово «радиационное» используется потому, что эти факторы изменяют баланс между поступающей солнечной радиацией и уходящим инфракрасным излучением в атмосфере Земли. Этот радиационный баланс управляет температурой поверхности Земли. Термин «воздействие» используется для того, чтобы показать, что радиационный баланс Земли сдвигается в сторону от своего нормального состояния.
Радиационное воздействие обычно количественно измеряется как «скорость изменения энергии на единицу площади Земли,измеренная в верхних слоях атмосферы» и выражается в единицах «ватт на квадратный метр» (см. рис. 2). Если радиационное воздействие фактора или группы факторов оценивается как положительное, энергия системы Земля-атмосфера в конечном итоге возрастает, приводя к потеплению системы. Если же радиационное воздействие отрицательное, то, наоборот, энергия уменьшится, что приведет к охлаждению системы. Важные задачи для климатологов – выявить все факторы, влияющие на климат, и механизмы, которыми они оказывают воздействие, количественно измерить радиационное воздействие каждого фактора и оценить суммарное радиационное воздействие группы факторов.
Аэрозоли – это присутствующие в атмосфере мелкие частицы, размер, концентрация и химический состав которых очень сильно разнится. Некоторые аэрозоли испускаются прямо в атмосферу, а некоторые образуются из испускаемых соединений. Аэрозоли содержат как естественные соединения, так и соединения, выброшенные в атмосферу в ходе деятельности человека. Сжигание ископаемых видов топлива и биомассы увеличили концентрацию аэрозолей, содержащих соединения серы, органические соединения и углеродную сажу (копоть).
Радиационное воздействие факторов, на которые влияет деятельность человека
Вклад радиационного воздействия некоторых факторов, на которые влияет деятельность человека, показан на рис. 2. Значения отражают общее воздействие относительно начала индустриальной эпохи (около 1750 г.). Воздействие увеличения содержания всех парниковых газов, которое наиболее понятно из всех воздействий, вызванных деятельностью человека, положительно, потому что каждый газ поглощает уходящее инфракрасное излучение в атмосфере. За этот период наибольшее воздействие из парниковых газов вызвало увеличение содержания CO2. Потеплению также способствовало увеличение содержания тропосферного озона, тогда как уменьшение количества стратосферного озона содействовало охлаждению.
Аэрозольные частицы прямо влияют на радиационное воздействие путем отражения и поглощения солнечного и инфракрасного излучения в атмосфере. Некоторые аэрозоли вызывают положительное воздействие, а некоторые – отрицательное. Совокупное прямое радиационное воздействие всех типов аэрозолей отрицательно. Аэрозоли также вызывают отрицательное радиационное воздействие косвенно, через изменения, которые они вызывают в свойствах облаков.
Деятельность человека с начала индустриальной эпохи изменила характер поверхности суши на всей планете, главным образом из-за изменений в пахотных землях, пастбищах и лесах. Она также изменила отражательные свойства льда и снега. В целом, вполне вероятно, что сейчас в результате деятельности человека от поверхности Земли отражается все больше солнечного излучения. Это изменение приводит к отрицательному воздействию.
Самолеты создают стойкие линейные конденсационные следы в регионах, где преобладают низкие температуры и высокая влажность. Конденсационные следы – это форма перистого облака, которая отражает солнечную радиацию и поглощает инфракрасное излучение. Линейные конденсационные следы глобальных воздушных перевозок повысили облачность и, по оценкам, вызывают небольшое положительное радиационное воздействие.
Радиационное воздействие естественных изменений
Естественные воздействия возникают вследствие изменений на Солнце и взрывных извержений вулканов. Поток энергии Солнца в индустриальную эпоху постепенно возрастал, создавая небольшое положительное радиационное воздействие (см. рис. 2). Это воздействие дополняет циклические изменения в солнечной радиации, которые идут по 11-летнему циклу. Солнечная энергия непосредственно нагревает климатическую систему и может также воздействовать на избыток в атмосфере некоторых парниковых газов, таких как стратосферный озон. Взрывные извержения вулканов могут создавать краткосрочное (2-3 года) отрицательное воздействие посредством повышения температуры, имеющего место в сульфатном аэрозоле в стратосфере. Сейчас в стратосфере нет вулканического аэрозоля, поскольку последнее крупное извержение произошло в 1991 году (гора Пинатубо).
Различия в оценках радиационного воздействия, создаваемого изменениями в солнечном излучении и вулканами, между нынешним днем и началом индустриальной эпохи очень малы по сравнению с различиями в радиационном воздействии, которое стало результатом деятельности человека. Как следствие, в сегодняшней атмосфере радиационное воздействие деятельности человека гораздо более важно для текущих и будущих изменений климата, нежели радиационное воздействие изменений в естественных процессах.