Читать онлайн Погода – Климат – Человек бесплатно

Погода – частая и ни к чему не обязывающая тема для разговоров – влияет на нашу повседневную жизнь, на наше поведение и не в последнюю очередь на наше самочувствие. Почти все мы внимательно следим за погодой, охотно ее обсуждаем, а в современных квартирах и домах может не быть градусника, но почти всегда есть термометр для измерения температуры воздуха в доме и на улице.

В последнее время в непринужденных беседах о погоде все чаще всплывает вторая, родственная ей тема – тема климата. Часто можно слышать жалобы на то, что «погода» испортилась. При этом имеется в виду погодная статистика, т. е. климат. Люди сетуют на то, что ураганы случаются чаще или что они сильнее, чем раньше, что погода становится все менее предсказуемой, а границы между временами года – все более размытыми. Утверждается также, что человечество само наносит ущерб климату или даже разрушает его, а вместе с ним и основы своего собственного существования. В разделе 4.7 мы увидим, что эта тема далеко не так нова, как кажется. Раньше люди тоже задавались вопросом, в какой мере их деятельность может негативно отразиться на климате. Не оставался без внимания и вопрос о том, как сильно климатические условия влияют на условия жизни.

В данном разделе нас будет интересовать статичный, т. е. неизменный климат, в котором время от времени происходят опасные экстремальные явления (штормовые приливы1, наводнения и засухи), но который стабилен в том смысле, что любая подобная катастрофа может считаться «нормальной», поскольку после нее восстанавливаются прежние обычные условия. Вековой прилив происходит в среднем раз в сто лет, а если он не происходит, то значит что-то не в порядке с климатом или с расчетной методикой вековых приливов. Если два вековых прилива происходят непосредственно друг за другом, это еще не повод для беспокойства. Климат, переживаемый каждым из нас лично, имеет важную особенность: надежность или нормальность. Эта надежность позволяет нам разумно обращаться с климатом, пользоваться его возможностями и реагировать на его удары. В то же время надежность климата – причина того, что у большинства людей нет оснований не доверять климату. Впрочем, в современном обществе доверие к природе разрушается. Экологические проблемы в целом и вероятность изменения климата в частности меняют не только отношение человека к природе, но – в качестве побочного эффекта – отношение природы к человеку. Так что вопрос о том, оправдано ли сегодня существовавшее на протяжении столетий доверие климату, будет иметь принципиальное значение для будущего человечества.

В разделе 3.1 мы рассматриваем климат с точки зрения повседневного опыта человека и в значении лимитирующего фактора экосистем и человеческой деятельности. В этом контексте климат представляет собой статистику локальных колебаний погоды. Эти явления проявляются в таких параметрах, как продолжительность сияния Солнца в течение дня, количество и частота осадков, (приземная) температура и ветер, облачность и тому подобное. Именно эти параметры важны для потребителей климатологической информации: лесничеств, экологов, судоходств, транспортников и туристической индустрии. Для ученых-климатологов они имеют второстепенное значение. Ученые рассматривают климат как сложно организованную систему, в которой взаимодействуют и влияют друг на друга различные компоненты: океан, атмосфера, морские льды и так далее (Раздел 3.2). В этом контексте «температура воздуха у земной поверхности» имеет сравнительно небольшое значение. Ученых интересуют другие параметры, ничего не говорящие дилетантам и потребителям метеорологической информации. Это, например, теплообмен, функция тока, вертикальный обмен, поглощение и отражение сияния облаками. Представление климата в виде взаимодействующей системы физических компонентов позволяет климатологам объяснить, почему наш нынешний климат, как в глобальном, научном смысле, так и в локальном, обыденном понимании, является именно таким, какой он есть. Впрочем, эти представления не всегда встречают понимание общественности. Простым людям они интересны лишь с точки зрения полезности для экономики или планирования отпуска.

Естественнонаучной модели климатической системы противостоит социальная модель (Раздел 3.3). И хотя обе эти модели зависят друг от друга, они признаются и считаются важными в разных сферах общественной жизни. В центре научной модели по сути находится генезис климата (Почему возникают ураганы? Почему климат статичен?), тогда как социальная модель в большей мере ориентирована на фактическое или воспринимаемое воздействие климата. В разделе 3.4 мы рассмотрим идейное течение под названием «климатический детерминизм», согласно которому человеческая деятельность в значительной степени определяется климатическими условиями. В разделе 3.5 мы обсудим, насколько эти представления совместимы с современными знаниями.

3.1. Климат как аспект восприятия окружающей среды

Климат открывается человеку только в виде совокупности погодных явлений в месте его проживания, поэтому с точки зрения восприятия окружающей среды климат – это «типичная погода». Так, мы замечаем, что в какие-то годы лето было очень теплым и сухим, а в какие-то – дождливым, что время от времени случается сразу несколько сильных бурь, а в отдельные зимние периоды бурь не бывает вовсе. Не стоит путать понятие «типичная погода» с понятием «средняя погода»: первая определяется частотностью экстремальных явлений, последняя есть математический артефакт, не существующий в реальности.

Наш опыт наблюдения за типичной погодой служит основой для хозяйственной деятельности. Для некоторых поселенцев недавно открытых земель этот опыт был болезненным. Понаблюдав за погодой в течение первых нескольких лет, они сделали преждевременные выводы относительно последующих лет. Опыт такого рода ограничивается доступными для наблюдения частями населенной местности, а также часто используемыми судоходными путями. Восприятие климата в этом значении не выходит за рамки процессов и явлений у поверхности земли, таких как температура, ветер, осадки, солнечное сияние. Выражаясь научным языком, понятие климата сводится к пограничному слою атмосферы, как правило, в средних широтах.

Термометр, изобретенный около 1600 года Галилео Галилеем, и барометр, сконструированный в 1643 году Эванджелистой Торричелли, стали первыми техническими приборами для первого этапа, продлившегося вплоть до 20-х годов прошлого столетия. Это был период инструментальных метеонаблюдений, ограниченных земной поверхностью. Поистине революционные изменениея в этих инструментальных наблюдениях начались в 1920-х годах с использования воздушного шара для измерения климатических переменных на различной высоте. В этом направлении климатология развивается до сих пор. Сегодня важным источником информации являются спутниковые измерения.

Еще несколько десятилетий назад климатология была дескриптивной дисциплиной, в задачи которой входило составление разного рода карт и таблиц. Выдающийся метеоролог конца XIX–начала ХХ века, профессор Венского университета Юлиус фон Ханн (1839–1921) в первом издании своего, долгое время считавшегося хрестоматийным справочника по климатологии1 пишет: «Наука о климате … имеет своей задачей познакомить нас со средними состояниями атмосферы над различными областями земной поверхности».

В самосознании метеорологов прошлого века климатология понималась как один из аспектов географии. Метеорология – как раньше, так и теперь – есть нечто отличное от климатологии, поскольку метеорология занимается главным образом физикой процессов в атмосфере. Прогноз погоды – по общему мнению, основная задача метеорологов – долгое время составлялся при помощи довольно сомнительных, с современной точки зрения, методов (например, на основе классификации метеоусловий или выискивания схожих ситуаций в прошлом). Лишь с появлением ЭВМ в конце 1940-х годов метеорология обрела более прочный научный фундамент.

В основном повседневный опыт наблюдений связан с суточным и годовым ходом: утром, до восхода солнца холоднее всего, влажность воздуха максимальна, и происходит конденсация влаги. На рисунке 1 показан суточный ход погоды летом в Германии. Максимальная температура достигается около 14 часов, до 6.00 отмечается самая низкая температура. Разница температур около 5° в прибрежном регионе близ Варнемюнде гораздо меньше, чем в глубине материка в Потсдаме: там амплитуда дневных колебаний температуры – примерно 7 °С.

Годовая динамика температуры, т. е. увеличение или уменьшение теплоты воздуха, лежит в основе различения времен года. На рисунке 2/3 выборочно отображены климатические диаграммы дневных и ночных значений средней нормы осадков и средних температур в течение года.

Рис. 1. Ход среднесуточной температуры в июле в Варнемюнде (на побережье Балтийского моря) и в Потсдаме

В нашем сознании самый холодный и самый теплый месяц ассоциируется с зимой и летом. На самом деле «официальные» времена года определены астрономически. Это определение полностью соответствует метеорологической дефиниции, хотя в контексте метеорологии правильнее было бы, наоборот, называть месяцы декабрь-январь-февраль зимой, март-апрель-май – весной и так далее. Слово «зима» следовало бы заменить словом «северная зима», так как в южном полушарии декабрь, январь и февраль, разумеется, в среднем самые теплые месяцы в году.

Поскольку деление года на четыре сезона базируется на наблюдении за изменениями температуры, оно не совпадает с динамикой долготы или краткости дней. Дело в том, что в умеренных климатических зонах Земли минимальные температуры не выпадают на самый короткий день, точно так же как максимальные не выпадают на самый долгий. Эту разницу легко объяснить с точки зрения физики: максимальная температура воды в ванной достигается не тогда, когда поступает самая горячая вода, а когда поступающая вода теплее, чем вода в ванной (если пренебречь другим процессами).

Характерная динамика температур в течение года для некоторых точек земного шара показана на рисунках 2 и 3. На примере Гамбурга (Германия) и Хобарта (Австралия) четко прослеживается противоположность северного и южного полушарий, равно как и отсутствие явно выраженного годового цикла в тропических регионах, например, в Дарвине на севере Австралии или в Боготе на севере Южной Америке.

Рис. 2. Осадки, дневные и ночные температуры, зафиксированные на отдельных метеостанциях

В умеренных климатических зонах северного и южного полушария четыре времени года прослеживаются более или менее отчетливо. Для тропических зон или для регионов вблизи полярных кругов это деление уже не действует, так как динамика температур в этих областях выглядит иначе. В тропиках, где осадки имеют гораздо бóльшее значение, чем температура, во многих областях вместо «годового цикла» с годовым минимумом или максимумом существует «полугодовой цикл» с двумя годовыми минимумами и максимумами. Это связано с тем, что там дважды в год солнечные лучи падают на Землю под прямым углом. Примером таких регионов могут служить Мумбаи в Индии, Рангун в Мьянме или Дарвин в Австралии.

На графиках 2 и 3 отображено среднее количество осадков, которое также может сильно варьироваться от станции к станции. Для регионов с муссонным климатом, в частности для Мумбаи, характерно чередование двух сезонов – сухого и влажного. В других регионах, например, в Гамбурге, Хобарте или Нью-Йорке, наблюдается умеренное количество осадков. Бимодальное распределение с двумя минимумами и двумя максимумами прослеживается на диаграммах Найроби в Восточной Африке и Боготы.

Таким образом, времена года в значении универсального климатического ориентира были изобретены людьми, населяющими умеренные климатические зоны. В повседневной жизни смена времен года многими воспринимается положительно. Те, кто родился в зоне умеренного климата, а проживает в другой климатической зоне, где нет четко выраженных времен года, считает их отсутствие едва ли не недостатком своей новой окружающей среды.

Утвердившийся в конце прошлого столетия научный подход к климату стал причиной того, что субъективные, неопределенные классификации климатических условий, выраженные, например, в таких фразах, как «Зимой в нашем регионе суровый климат» или объективными инструментальными наблюдениями. Одним из первых примеров методологически обоснованной техники и процедуры измерения можно считать результаты, полученные вышеупомянутым обществом «Societas Meteorologica Palatina»1 в 1775 году в период Рождественских праздников в различных городах Европы.

Рис. 3. Осадки, дневные и ночные температуры, зафиксированные на отдельных метеостанциях

С тех пор как климатология достигла такого уровня, что может выразить категорию климата в количественных показателях, приходится решать вопрос о том, что из огромного количества данных имеет информативную ценность для общества и науки. Другими словами, необходимо ограничивать число возможных наблюдений такими переменными, которые могут быть измерены надежными методами, обладают практической ценностью и репрезентативны для той или иной области и временного промежутка.

Наряду с важнейшими (био-) климатическими переменными, такими как (приземная) температура и осадки, ведутся регулярные наблюдения влажности, ветра, облачности, продолжительности солнечного сияния. Еще одна климатическая переменная, наблюдаемая уже не метеорологическими, а гидрографическими службами, – это уровень воды у побережий океанов, внутренних морей и рек.

Научное изучение климата легло в основу надежного описания климатических переменных и привело к применению в этой области языка цифр. Начались поиски методов, которые бы позволили измерить климатические переменные таким образом, чтобы полученные числовые данные были, с одной стороны, воспроизводимыми для того или иного региона, а с другой стороны, сопоставимыми с другими регионами.

Эта задача сложнее, чем кажется на первый взгляд. Так, например, среднее значение дневной температуры может меняться просто потому, что измерения проводились не в 6.00, 12.00, 18.00 и 24.00, а в 7.00, 13.00, 19.00 и 1.00. По приблизительным расчетам, проведенным в начале 1940-х годов, температура поверхностных вод в океане понизилась почти на полградуса, но связано это с тем, что в эти годы для измерения температуры поверхностных вод использовали не ту воду, которую черпали за бортом судна, а охлаждающую воду в моторном отсеке.

История метеорологии и океанографии пестрит подобными случаями «неоднородности» результатов наблюдения. Нередко статьи, привлекающие внимание общественности, отражают изменения не в самой климатической системе, а лишь в способе сбора и обработки данных. Использование информации из Интернета лишь усугубляет эту проблему.

Рис. 4. Динамика изменения давления в декабре 1775 г. в Лондоне, Регенсбурге и Санкт-Петербурге по результатам измерений Societas Meteorologica Palatina (Источник: Lüdicke 1997).

Ниже мы приводим некоторые примеры подобной «неоднородности» климатологических данных, отражающих несуществующие тенденции. Их появление связано не с изменением климатических условий, а с введением новых техник наблюдения и другими изменениями в окружающей среде.

В первом примере речь идет о наблюдении сильных ветров в Гамбурге. Результаты наблюдений представлены в виде средних значений за десять лет, обобщающих количество дней с силой ветра в 7 баллов и более в каждый год (рис. 5). Согласно графику, в период с 1951 по 1960 год частота сильных ветров резко сократилась: с 90 до 10 сильных ветров в год. Этот спад, однако, никак не связан с изменениями в климате, а объясняется изменением процедуры наблюдения, а точнее, перемещением пункта наблюдения из морской метеорологической службы в Санкт-Паули в аэропорт Фульсбюттель. Следует отметить, что эти наблюдения верны, но они явно не репрезентативны в отношении ветрового климата Гамбурга. Представленные на рисунке 5 данные в такой форме не могут быть использованы для того, чтобы ответить на стандартные климатологические вопросы: «Насколько высок риск сильного ветра в Гамбурге?» или «Меняется ли частота сильного ветра в Гамбурге?»

Рис. 5. Средний показатель годовой частоты сильного ветра (сила ветра более 7 баллов) в Гамбурге за 10 лет. Резкое снижение частоты в районе 1950 года вызвано сменой места проведения наблюдений, т. е. данные не репрезентативны для Гамбурга.

Второй, похожий пример связан с наблюдениями торнадо в Соединенных Штатах Америки (см. рис. 6). До 1870 года сообщения о торнадо появлялись лишь время от времени и обычно носили характер занимательных историй. Лишь впоследствии служба связи американской армии начала систематический сбор сообщений о торнадо. Правда, в тот момент эти меры пришлись не ко времени с политической точки зрения, так как эти страшные природные явления могли отпугнуть переселенцев. По этой причине в конце 1880-х гг. наблюдалась тенденция занижать уровень опасности торнадо, но через несколько лет такой подход снова был откорректирован.

Третий пример – это так называемый «эффект города». Уже давно известно, что температура в городах выше, чем за пределами городской застройки. В городах воздух охлаждается медленнее, чем в сельской местности, так как в городе меньше участков с открытой почвой и, соответственно, меньше испарений1. В Центральной Европе эта разница может превышать 1 градус. Проследим данный эффект на рисунке 7, на котором отображены температурные ряды для двух соседних населенных пунктов в канадской провинции Квебек. Метеорологическая станция «Шербрук» фиксирует климатические условия постоянно растущего города Шербрука, тогда как станция «Шоиниган» отображает климат сельского региона вокруг местечка Шоиниган. В 1966 году станция «Шербрук» переместилась из центра города в расположенный за его пределами аэропорт. Очевидно, именно после этого произошло резкое изменение в измерениях, схожее с тем, которое мы наблюдали в связи с ветровым климатом Гамбурга: станция Шербрук перестала быть репрезентативной для территории города Шербрука и тем более для его пригородов. В городе, за исключением резкого понижения температуры в 1966 году, мы видим постоянное потепление, в отличие от сельской метеостанции. Таким образом, метеостанция «Шербрук» тоже не пригодна для климатологических исследований, поскольку отражает климатические условия исключительно того места, где проводятся измерения. Их результаты не могут быть использованы ни для планирования сельскохозяйственных работ, ни для обоснованной оценки того, в какой мере актуальные колебания климата свидетельствуют о систематических изменениях климатических условий. Одним из следствий систематического потепления в черте города является то, что наблюдения за температурой на городских станциях не могут использоваться для определения средних значений для региона и тем более для всего земного шара. Поскольку ранние метеонаблюдения (самые первые из которых относятся к XVII веку, в частности, наблюдения в Болонье) проводились в основном в городах, климатология, реконструируя климатические колебания в прошлом, вынуждена отказываться от важного материала, что весьма досадно, так как оценить нынешнее потепление можно лишь сравнив его с прежними тенденциями потепления, обусловленными естественными процессами. Для этого необходимы данные, фиксирующие температурные ряды для максимально продолжительного периода в прошлом, когда еще не было повышенной концентрации парникового газа.

Рис 6. Частота зафиксированных в США торнадо.

Источник: Harold Brooks

Наконец, последний пример отсылает нас к широко известному анализу ущерба от ураганов. Он содержится, в частности, в третьем докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Активисты, призывающие к принятию государственных мер по ограничению выброса парниковых газов, охотно используют его в качестве аргумента1.

На рисунке 8 показан ущерб, причиненный ураганами, имевшими место на протяжении всего побережья на территории США с 1900 года. Размер ущерба выражен в долларах, за базисный период взят 2005 год. На графике можно совершенно четко проследить увеличение размера ущерба, причем пик приходится на 2005 год, когда на Нью-Орлеан обрушился ураган Катрина. Этот пример мы приводим для того, чтобы соотнести рост общей суммы ущерба с повышением температуры поверхностных вод в Мексиканском заливе, которое, к тому же, является одной из причин глобального потепления.

Рис. 7. Среднегодовые значения дневного минимума околоземных температур для двух соседних метеостанций в Шербруке и Шоунигане в канадской провинции Квебек. Шербрукская метеостанция до 1966 года находилась в центре города, а затем была перенесена за городскую черту, на территорию аэропорта. Станция в Шоунигане на протяжении всего рассматриваемого периода находилась в одном и том же месте в сельской местности.

Источник: Storch, Zwiers, 1998.

Цифры на рисунке 8 – это абсолютно точные цифры, полученные от страховых компаний. В этом случае интерпретация имеющихся данных затруднена по двум причинам. Первая, менее важная, связана с тем, что ураганная активность колеблется от десятилетия к десятилетию. Другая, более важная причина заключается в том, что использование прибрежных регионов, на которые обрушиваются ураганы, кардинально изменилось. В прибрежных регионах проживает гораздо больше людей. Это, в свою очередь, означает, что риску разрушения подвергается гораздо большее количество ценных объектов и владений. Если учесть этот факт при анализе и допустить, что динамика ураганов в США оставалась неизменной с 1900 года, но при этом в отношении ценности разрушаемого имущества на протяжении всего столетия сохранялась ситуация 2005 года, то мы придем к совершенно иным результатам, как это можно видеть на рисунке 9.

На протяжении всего прошлого столетия наблюдались значительные колебания, и отдельные ураганы наносили огромный ущерб. Самый большой однократный ущерб был нанесен, по-видимому, ураганом в Майами в 1926 году (тогда это был еще маленький тихий городок). Ураган Катрина стоил американцам 81 млрд долларов, в то время как ураган 1926 года мог бы причинить Майами ущерб приблизительно в 130 млрд долларов, если бы Майами тогда был таким крупным городом, каким он является сейчас.

Рис. 8. Суммарный годовой ущерб от ураганов на побережье США в период с 1900 по 2005 год.

Источник: Pielke et al., op. cit.

Исходя из графиков 8 и 9, можно нарисовать две разные картины. Рисунок 8 сообщает нам о том, что ущерб от последнего урагана достиг беспрецедентного размера и что это изменение объясняется беспрецедентным уровнем ураганной активности. В этом случае в последующие годы и десятилетия можно было бы ожидать ее дальнейшего роста. Рисунок 9 говорит нам, с одной стороны, о том, что с 1992 года ураганы наносили значительный материальный ущерб, однако его масштабы сопоставимы с ущербом от предыдущих ураганов. С другой стороны, этот рисунок показывает нам, что данных за 50 лет недостаточно для того, чтобы оценить все возможные последствия.

Добиться временнóй репрезентативности сложно, так как на любой хронологической шкале наблюдаются колебания по всем основным климатическим переменным. Инструментарий с высоким временным разрешением показывает, что скорость ветра или температура меняются на шкале времени с секундным делением точно так же, как на шкалах с делением на недели, годы или десятилетия. Очевидно, необходимо определить такие числовые показатели, которые бы описывали, в каком интервале колебаний обычно варьируются изменения и с какой вероятностью встречаются крайние значения. Только на основании подобных измерений данном случае речь идет об изменениях, вызванных человеческой деятельностью1.

Рис. 9. То же, что и на рисунке 8, с тем лишь изменением, что в отношении численности населения, благосостояния и ценности владений жителей американского побережья взяты данные за 2005 год.

Источник: Pielke et al. [2005]1а.

В этой ситуации имеет смысл обратиться к статистической терминологии. Мы исходим из того, что климат действительно варьируется на всех временных шкалах1, но после аппроксимации эти колебания могут рассматриваться как случайные, если не принимать во внимание упомянутые выше регулярные годовые или дневные циклы. Если говорить точнее, мы рассматриваем отклонения от средних значений годового или суточного хода – так называемые математическую абстракцию, с помощью которой мы можем описать кажущуюся нерегулярность. В ходе погоды и климатическом режиме не бывает случайностей в строгом смысле этого слова2. Однако их динамика складывается из многих «нелинейных» процессов, которые могут порождать крайне изменчивые структуры. Наложение этих многочисленных «хаотичных» и «нехаотичных» процессов друг на друга получается настолько сложным, что становится невозможным в полной мере учесть отдельные процессы, и общий ход уже сложно отличить от статистических колебаний.

Теперь мы совершим небольшой экскурс в статистику.

Под случайным процессом мы будем понимать процесс, порождающий числовые ряды, значения которых соответствуют случайному распределению. Наиболее известным является гауссово распределение. Оно сообщает нам, с какой вероятностью переменная принимает то или иное возможное значение. Такие распределения можно описать при помощи нескольких характерных величин – среднего и среднеквадратического отклонения.

Среднее значение есть арифметическое среднее всех наблюдений, т. е. в большинстве случаев половина всех полученных в ходе наблюдений результатов ниже среднего, а другая половина – выше1. Годовой и суточный ход на рисунке 1 представляет собой как раз среднюю величину (рассчитанную для каждого календарного месяца / каждого часа в отдельности).

Среднеквадратическое отклонение или его квадрат (дисперсия) показывает меру разброса случайных величин. В двух третях всех случайных выборов мы попадаем в интервал «среднее значение ± среднеквадратическое отклонение», а в одной трети случайных выборов мы получаем значения больше или меньше, чем «среднее значение ± среднеквадратическое отклонение». Частота подобных существенных отклонений от среднего значения измеряется с помощью перцентилей. Перцентиль 90% больше, чем 90% всех наблюдений, перцентиль 10% меньше, чем 10% всех наблюдений. Если в нашем числовом ряду речь идет о максимальной скорости ветра в течение года, то перцентиль 99% описывает максимальную скорость ветра, которая была превышена в среднем один раз в сто лет.

Случайность не означает, что следующие друг за другом числовые показатели абсолютно не зависят друг от друга. Скорее, здесь – именно в климатологическом контексте – мы наблюдаем такую ситуацию, когда значение климатической переменной в какой-то момент времени частично определяется предшествующим моментом времени: «Завтра погода будет в сущности такой же, как сегодня». Отсюда следует, что значение переменной в послеследующий момент времени все еще будет частично детерминировано настоящим значением, однако чем дальше мы продвигаемся по шкале, тем меньше будет эта детерминированность. Так что значение, которое переменная примет через большой промежуток времени, не будет иметь ничего общего с нынешним значением. Отсутствие связи между ними можно понимать таким образом, что, случайным образом изменив последовательность ряда, мы никак не изменим характер этого ряда. Последовательную детерминацию можно понимать как память случайного процесса.

На практике мы не встретим ни распределений, ни памяти в этом смысле. Поэтому характерные величины приходится выводить из наблюдений. И тогда встает вопрос: сколько нужно провести наблюдений, чтобы полученные результаты имели смысл? Если мы будем наблюдать за температурой в течение двадцати лет и рассчитаем среднее значение для первых и последних десяти лет, то эти средние значения будут различаться. Чтобы результаты были репрезентативными, разница не должна быть слишком большой.

Рис. 10. Распределение тайфунов в Восточной Азии в 1994 (сравнительно большое количество тайфунов – 36) и в 1998 году (очень небольшое количество тайфунов – 16).

Цвета отображают различную силу тайфунов.

Источник: http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon.

Так как в отношении климатических условий нет точных или «очевидных» временных границ для определения статистических показателей, приходится полагаться на некие конвенции или стандарты, задающие эти границы. В метеорологии существует стандартный интервал в 30 лет. На Международной метеорологической конференции, проходившей в 1957 году в Вашингтоне, был подтвержден этот временнóй норматив, принятый еще в 1935 году на аналогичной научной конференции в Варшаве. За «климатический эталон» был взят период с 1931 по 1960 год (до этого – с 1901 по 1930 год). Таким образом, наблюдения, результаты которых впоследствии усредняются, подчиняются четкому стандарту, обязательному для всех метеорологических служб. Нормой считается среднее значение именно за 30, а не за 20 или 15 лет. Впрочем, в научных климатологических исследованиях этот стандарт уже не играет никакой роли, с тех пор как стало ясно, что климат существенно варьируется и на шкале, охватывающей 30 лет и более.

Теперь мы можем рассчитать характерные величины для различных климатических переменных и различных мест наблюдения, а затем, перенеся соответствующие значения на соответствующие территории, представить ученым и широкой общественности информацию о климате в форме карт.

На рисунке 10 мы видим две карты, на которых показана траектория и интенсивность восточноазиатских тайфунов в 1993 (максимальное число тайфунов) и 1998 году (минимальное число тайфунов). Над северной частью Тихого океана образуются циклоны. Большинство из них затем движутся на запад, к азиатскому побережью. Очевидно, что количество тайфунов сильно варьируется в зависимости от года.

Рис. 11. схема двухсекундных максимальных порывов ветра со средней частотой 1 раз в 50 лет (информация используется с любезного разрешения Германской метеорологической службы и лично господина Х. Шмидта)

Вторая карта посвящена сильным ветрам в Северной Германии. На ней отображена максимальная скорость ветра (фиксируемая в течение не менее двух секунд), превышение которой фиксировалось не чаще одного раза в 50 лет (рисунок 11). Согласно этой карте, непосредственно на береговой линии можно ожидать скорости ветра 50 м/с, тогда как максимальная скорость ветра в глубине материка равна 38 м/с и достигается раз в 50 лет.

Эта информация в качестве данных о внешних детерминирующих факторах включается в исследования, экспертные оценки и заключения о социальных, экономических и политических процессах, относительно которых известно наверняка или предполагается, что они могут быть подвержены влиянию климатических условий. Это целый спектр вопросов (мы приведем для примера лишь несколько), как правило, касающихся прикладных исследований антропоцентристского характера.

1) Возможные влияния климатических условий на жизнь отдельных людей, их самочувствие и здоровье. К этому аспекту мы еще вернемся.

2) Важное место в этом списке занимает предотвращение опасности, связанной с экстремальными метеорологическими явлениями. Типичный случай – опасность наводнений на морском побережье или на берегах рек. Статистические данные о количестве осадков и силе ветра – это главные показатели, позволяющие оценить или измерить уровень потенциальной опасности и на этом основании, например, рассчитать высоту дамбы. Оползание склона или сель тоже входят в группу климатически детерминированных опасностей, так как хотя они в целом и не поддаются прогнозированию (так же, как извержения вулкана), однако между их частотой и статистикой осадков прослеживается четкая связь.

3) Статистические данные о климате и особенно об экстремальных значениях его переменных крайне важны не только для человека и общества, но и для мира растений. Климатические ограничения возможностей сельского хозяйства зачастую определяются не столько средней температурой летом и зимой, сколько минимальным значением температуры или первыми и последними заморозками в данной местности. Если температура резко падает хотя бы однажды, то, как правило, потом уже для растений не так важно, будет ли это значение температуры повторяться через равные промежутки времени или, несмотря на данный экстремум, оставшийся период в сообщениях всех метеослужб будет фигурировать как «нормальный». (Во Флориде, например, решающими являются заморозки или их отсутствие, так как именно заморозки губят урожай цитрусовых). В других случаях температурные экстремумы в целом не имеют большого значения: так, например, время цветения подснежников зависит главным образом от средней температуры в январе и феврале.

4) Другой важной сферой применения статистической информации о климате является оценка актуальных процессов и явлений и возможность понять, объясняются ли они аномальными климатическими условиями или какими-то другими, не климатическими процессами. Сюда относится, например, вопрос о причинах цветения водорослей, которое могло быть вызвано эвтрофированием Северного моря, или о «гибели лесов».

Тщательный учет бесчисленного множества климатических наблюдений, которые на протяжении вот уже 100 лет ведутся на торговых судах и результаты которых в обобщенном и переработанном виде представлены в знаменитых базах данных, таких как COADS (Comrehensive Ocean-Atmosphere Data Set), также является источником важной рабочей информации для современных фундаментальных исследований климата. Здесь следует упомянуть исследования удаленного воздействия климатических аномалий, прежде всего в связи с феноменом Южного колебания – Эль-Ниньо (ENSO), описанным еще в конце XIX века шведским ученым Гильдебрандсоном. Другая масштабная климатическая аномалия – Североатлантическое колебание – представляет собой противоположные по фазе колебания атмосферного давления и температуры в северном Атлантическом океане. Если температура в Гренландии выше нормы, то в Северной Европе в это время температура, как правило, понижается, и наоборот. С этим связаны и колебания атмосферного давления: если на территории Исландии давление повышенное, то над Азорскими островами – пониженное, и наоборот. Этот механизм, безусловно, имеет большое значение для европейского климата. Впервые он был описан датским миссионером Гансом Эгеде (1668–1758) в книге «Dagbog holden i Grönland i Aarene» (1770–1778).

Количество и относительное значение климатических переменных менялись по мере развития научных исследований в этой области. Сегодня в центре внимания находятся уже другие переменные, и число их существенно возросло. Если раньше ученые в изучении климата опирались на сравнительно обособленные наблюдения отдельных переменных, то сегодня климатологи пытаются включить в интегрированный исследовательский подход как можно больше различных переменных, чтобы лучше понять климатическую систему в целом, т. е. учитывая все факторы – океаны, морские льды, биосферу и тому подобное.

В позапрошлом столетии границы климатических исследований в значительной степени зависели от технических возможностей установки измерительных метеорологических приборов. В 1920-х годах появилась возможность с помощью шаров-зондов, воздушных змеев, самолетов и радиозондов вести наблюдения на различной высоте. К слову, в процессе этих наблюдений в начале 1920-х годов была открыта стратосфера. Восхождения в горы и небезопасные полеты на воздушном шаре показали, что температура при подъеме на 100 м понижается где-то на 0,7 °С. На основании этого наблюдения Герман фон Гельмгольц (1821–1894) сделал вывод, что на высоте около 30 метров должен быть достигнут абсолютный ноль (–273 °С). Когда после первых измерений с помощью беспилотных воздушных шаров стало ясно, что после достижения 11-километровой высоты начинается зона постоянной температуры, многие метеорологи вначале усомнились в правильности измерений, но это была граница между тропосферой и стратосферой.

Лишь совершенно новые методы наблюдения привели к кардинальным переменам в климатологии, которая на протяжении вот уже нескольких десятилетий является не географической дисциплиной, а, скорее, физикой и химией окружающей среды. Неудивительно, что подобные тенденции вдохновили в первую очередь молодых метеорологов и что именно они, в свою очередь, способствовали смене парадигмы1. В следующем разделе мы рассмотрим концепцию климата в этой «новой» климатологии.

3.2. Климат как естественнонаучная система

Чтобы показать разницу между описательной климатологией, основанной на географической традиции, и новыми, физико-климатическими исследованиями, мы для начала, в качестве примера типично «физического подхода» в метеорологии, рассмотрим парниковую теорию шведского химика Сванте Аррениуса (1859–1927). Сегодня многие ученые считают Аррениуса первооткрывателем парникового эффекта. Как это всегда бывает в науке, споры о том, кто «действительно первым» открыл, сформулировал, изобрел и так далее, совершенно бессмысленны. В действительности в науке одновременно и независимо друг от друга совершаются открытия, которые затем могут стать причиной спора о первенстве. Если смотреть еще шире, то, как правило, всегда можно найти кого-то другого, кто высказывал схожие идеи прежде или, по крайней мере, двигался в том же направлении. Аррениус в создании своей парниковой теории тоже опирался на достижения великих предшественников. Одним из них был французский математик Жан Баптист Жозеф Фурье (1768–1830). Но в конечном итоге современную теорию парникового эффекта разработал именно Аррениус, так что сегодня его первенство общепризнано. (Открытие и описание парникового эффекта Аррениусом отмечалось и обсуждалось в свете последних исследований в февральском номере журнала AMBIO за 1997 год).

В конце XIX века физики и химики активно обсуждали вопрос о том, какие факторы влияют на температуру в приземных слоях атмосферы. Этот вопрос возник в связи с новым научным знанием о ледниковом периоде, господствовавшем на Земле много тысяч лет назад, и с пониманием того, что приземная температура, по-видимому, неоднократно и существенно менялась на протяжении истории Земли. Аррениус, получивший впоследствии Нобелевскую премию по химии за другие свои достижения, утверждал, что приземная температура, а, следовательно, и температура воздуха достигает в точности того значения, при котором длинноволновое излучение Земли равно коротковолновому солнечному излучению. Если они не равны, то температура понижается или повышается до тех, пока не будет достигнут этот баланс. Согласно закону Стефана-Больцмана, длинноволновое излучение пропорционально 4-й степени температуры.

Если бы между источником энергии – Солнцем – и ее получателем – Землей – был вакуум, то средняя температура атмосферы Земли была бы равна – 10 °С. Фактически это, разумеется, не так, потому что между Солнцем и поверхностью Земли есть атмосфера, в которой, помимо облаков, содержится водяной пар и другие «парниковые газы». Эти газы, в частности, углекислый газ или метан, (тепловое) излучение и снова испускают его во все стороны, так что исходящая от земной поверхности энергия, которая в принципе должна была бы уйти непосредственно в Космос, частично улавливается и перенаправляется обратно в сторону Земли. Эти газы имеют подобное воздействие уже при очень низкой концентрации. Самый распространенный – наряду с водяным паром – парниковый газ СО₂ составляет лишь 0,03% атмосферного воздуха.

Предположим, что только 40% излучения «проходит» в космос, а 60% энергии отражается и попадает обратно на Землю. Тогда на поверхность Земли попадет не только коротковолновое излучение, но и отраженное длинноволновое излучение. Если бы наша система изначально имела температуру – 10 °С, то она стала бы нагреваться, так как происходило бы накопление энергии. Но потепление приводит к тому, что длинноволновое излучение становится более высокоэнергетичным, при том что в Космос по-прежнему уходят лишь 40%. Однако коль скоро интенсивность излучения возрастает пропорционально 4-й степени температуры, от земли в чистом виде будет отражаться больше энергии, чем до потепления. В конце концов, процесс потепления прекращается, когда достигающее Космоса излучение уравновешивает излучение, достигающее поверхности Земли. Очевидно, что эта «конечная температура» намного выше, чем – 10 °С, из которых мы исходили. Однако из-за того, что атмосфера не только отражает длинноволновое излучение, но и защищает приземный слой от коротковолнового излучения, поверхности Земли достигает не все солнечное излучение, а лишь небольшая его часть. Эта защита зависит от альбедо (отражательной способности)1, на которое, в свою очередь, влияют облака, морские льды, снежные покровы, пустыни и землепользование. Благодаря этому эффекту в конечном итоге мы получает среднюю температуру атмосферы Земли около 15 °С, что вполне соответствует действительности2.

Это теория получила название «парниковой теории», что, однако, не совсем верно, так как температура в теплице нагревается по другим причинам, нежели температура наружного воздуха. В данной теории примечательно то, что она до сегодняшнего дня, т. е. на протяжении ста лет после первого опубликования, считается верной в том самом виде, в каком она была сформулирована изначально3. Сванте Аррениус показал, что изменения концентрации углекислого газа в атмосфере могли быть причиной наступления ледникового периода. Он был убежден в правильности найденного объяснения. И действительно, анализ ледяных кернов показал, что ледниковые периоды были связаны с существенными изменениями концентрации двуокиси углерода (ледяной керн «Восток»). Однако речь здесь не идет о прямой причинно-следственной связи, так как вполне возможно, что изменение концентрации углекислого газа было вызвано изменениями климатических условий. Высказывались и другие убедительные гипотезы, объясняющие периодичность ледниковых периодов. В этой связи следует упомянуть прежде всего циклы Миланковича – гипотезу, связывающую изменения климата с изменениями в земной орбите.

«Побочным продуктом» размышлений Аррениуса стала оценка того, как быстро будет увеличиваться температура воздуха, если человечество, сжигая ископаемое топливо, удвоит концентрацию диоксида углерода в атмосфере. Сванте Аррениус исходил из повышения температуры примерно на 3 °С, но при этом полагал, что увеличение концентрации СО₂ вдвое может наступить не ранее, чем через 1000 лет, так как 85% углекислого газа сосредоточено в океане. Для общественно-политических дискуссий этот сценарий развития событий не имел большого значения1. Этот уровень в 85% и сегодня считается верным, но только для равновесного состояния. За нынешними, невероятно возросшими показателями выброса «океан уже не поспевает», так что в атмосфере сосредотачивается большое количество углекислого газа, и сценарий увеличения его концентрации в атмосфере вдвое в ближайшие 30–70 лет представляется вполне реалистичным (см. отчеты МГЭИК за 1990, 1992 под редакцией Хьютон и коллег). Мы еще рассмотрим вопрос изменения климата под влиянием человеческой деятельности в четвертой главе.

Итак, мы видим, что эти климатологические изыскания не ограничиваются подробными измерениями и обработкой их результатов с целью сформулировать ценные рекомендации для планирования человеческой деятельности в различных областях. Здесь мы имеем дело с дедуктивными выводами из фундаментальных законов физики, в данном случае из первого закона термодинамики – закона сохранения энергии. Климат оказывается в центре интеллектуальной любознательности, и значение наблюдений сводится к «верификации» гипотез, теорий и моделей. Тем не менее, подобные научные методики, относящиеся скорее к области фундаментальных исследований, привели к открытиям, взбудоражившим международную политику. Понятие «парниковый газ» стало общеупотребительным и уже не нуждается в объяснениях, когда речь о нем идет, например, в телевизионных новостях. Следует отметить, что в данном случае именно наука обнаруживает проблему и формулирует ее именно как проблему для обсуждения и решения в политике и обществе. Глобальное изменение климата, парниковый эффект и повышение температур не являются бытовой проблемой. Именно научные открытия и научные формулировки проблемы определяют в данном случае характер и масштаб политических мер. Подробнее об этом мы расскажем в четвертой главе.

Рис. 12. Описание ячеистых структур циркуляции атмосферы, сделанное Джорджем Хэдли в XVII веке в условиях неполной информации.

Ср. также с современной схемой на рисунке 14.

Другие значимые работы, в которых предпринимается попытка объяснить всеобщую атмосферную циркуляцию (например, факт существования областей пассатов), принадлежат перу английского ученого Джорджа Хэдли (1685–1768). Несмотря на то, что ему были доступны лишь очень немногочисленные эмпирические данные, Хэдли верно сформулировал основные положения теории общей циркуляции воздуха (рисунок 12), в частности, пассатов, не имея возможности вывести из своей теории другие важные аспекты данного явления.

Философ Иммануил Кант (1724–1804) также внес свой вклад в изучение этого явления. Проанализировав результаты наблюдений мореплавателей за изменениями ветра в Юго-Восточной Азии, он пришел к выводу, что дальше на юге должен находиться еще один континент – на тот момент еще не открытая Австралия.

Очередной прорыв в области физической климатологии связан с именами таких исследователей, как норвежец Вильгельм Бьёркнес (1862–1951), который внес большой вклад в объяснение внутренней структуры штормов в средних широтах, швед Карл Густав Россби (1898–1957), который выявил причины неустойчивости погоды в средних широтах, и, наконец, американец Джон Нойманн (1903–1957), который после второй мировой войны раньше других понял, какие возможности открывает электронная обработка данных перед метеорологией, и применил новые подходы на только появившихся в то время компьютерах. Это компьютерное моделирование с целью прогноза погоды легло в основу современных климатических моделей; важнейший вклад в развитие этой области внесли метеорологи и океанографы Сьюкуро Мэйнаби и Кирк Брайан из Геофизической лаборатории гидродинамики в Принстоне.

В современной климатологии климатическая система трактуется как взаимодействие или процесс взаимного влияния атмосферы, гидросферы, криосферы и биосферы и не ограничивается исключительно приземной атмосферой. На передний план выходят уже не описательные исследования, а прежде всего системно-аналитический подход. Краткое изложение современных подходов к климатической системе можно найти в работах Жуссом (Joussaume 1996), Филэндера (Philander 1998) и фон Шторха с соавторами (von Storch et al. 1999). Принцип действия здесь аналогичен принципу действия теплового двигателя, работающего благодаря разнице температур в камере сгорания и радиаторе. Применительно к атмосфере мы можем говорить о том, что «активным элементом» являются (тропические) камеры сгорания, тогда как в океанической системе поддержание (термической и галинной) циркуляции обеспечивается (субполярным) «радиатором».

Рис. 13. Норвежский метеоролог и создатель теории полярных фронтов Вильгельм Бьёркнес, портрет кисти Рольфа Гровена. Портрет выставлен на факультете геофизики Университета г. Бергена.

Рис. 14. Современная схема общей циркуляции атмосферы.

Источник: von Storch H., Güss S., Heimann M. Das Klimasystem und seine Modellierung. Eine Einführung. Springer Verlag, 1999. S. 255 и далее.

Современное понимание циркуляции атмосферы схематично представлено на рисунке 14.

Нагревание атмосферы происходит в первую очередь в тропиках за счет поступления солнечного тепла в виде коротковолнового излучения. Приземный воздух в тропиках сильно нагревается, вследствие чего стратификация атмосферы становится нестабильной. Воздух в низших слоях атмосферы становится легче воздуха более высоких слоев. Это приводит к интенсивному перемещению воздуха, усиливаемому наличием водяных испарений. Воздух, поднимающийся наверх, расширяется, остывает и уже не в состоянии удерживать пар в прежнем объеме. Часть паров конденсируется, и в результате снова высвобождается тепловая энергия, изначально задействованная в испарении воды. (В этом случае говорят также о «скрытой тепловой энергии», в отличие от «воспринимаемой тепловой энергии», связанной с температурой). Эта высвободившаяся энергия нагревает воздух, который опять становится легче своего окружения и, следовательно, продолжает движение вверх. Если вы летите на самолете в тропической зоне, вы можете наблюдать этот процесс по гигантским нагромождениям облаков, которые нередко скапливаются даже выше уровня полета, т. е. выше 11–13.000 метров.

У верхней границы тропосферы (за которой начинается стратосфера, где господствуют совершенно иные условия, поскольку происходящие там процессы определяются химическими реакциями и высвобождающейся в результате энергией), т. е. на высоте 10–14.000 метров, поднимающийся вверх воздух направляется к полюсам и постепенно опускается в субтропиках. Завершается цикл движением приземных потоков воздуха в направлении экватора – пассатами. При этом установившиеся режимы ветра не всегда направлены точно на север (в южном полушарии) или точно на юг. Вследствие вращения Земли (под влиянием силы Кориолиса) эти течения воздуха принимают северо-западное или юго-западное направление.

В средних широтах образуются вторичные фронты. И главные, и вторичные фронты переносят не только тепло, но и импульсы, вследствие чего у верхней границы тропосферы образуется мощный западный поток – так называемое струйное течение, которое становится неустойчивым. Вместо постоянного вертикального вихря формируются горизонтальные, крайне непостоянные вихри до нескольких тысяч километров в диаметре. Это и есть наши постоянные спутники – ураганы. Эти вихри переносят тепло в сторону полюсов как в скрытой, так и в ощутимой для человека форме. По ходу движения от Земли исходит длинноволновое излучение в космос. В начале пути коротковолновое излучение сильнее, чем длинноволновое, но по мере продвижения в сторону того или иного полюса коротковолновое излучение уменьшается, и в результате мы получаем отрицательный энергетический баланс. Система теряет больше энергии, чем получает. Этот разрыв компенсируется переносом энергии ветрами (или океаническими течениями). Таким образом, возникновение ветров обусловлено разностью между получаемой и выделяемой атмосферной энергией («чистая прибыль» в тропических широтах; «чистый расход» в полярных широтах). Подобно тому, как приводится в действие кривошипно-шатунный механизм в паровозе, так и здесь движение ветра возникает за счет термического равновесия между паровым котлом и радиатором.

В целом циркуляция в Южном полушарии аналогична циркуляции в Северном полушарии, однако вследствие нахождения в Северном полушарии больших континентальных массивов там наблюдается неравномерное потепление в направлении с запада на восток. Летом суша нагревается быстрее, чем океан, а зимой океан остывает медленнее. Это неравновесие проявляется в возникновении муссонов в тропических зонах, а также в устойчивых метеорологических различиях между восточной и западной частью Северного полушария. Кроме того, разделению климатической структуры на восточную и западную способствуют крупные горные массивы в Северном полушарии – Гималаи, Скалистые горы и горы Гренландии. Европейские горы, включая Альпы, имеют лишь региональное значение.

В Южном полушарии нет ярко выраженной асимметрии между востоком и западом. Здесь мы видим описанную выше структуру неустойчивых струйных течений с характерными для них штормами. Из-за того, что штормы в средних широтах Южного полушария (40°–50° юж. широты) случаются круглый год, это пространство получило название «ревущие сороковые». Если мы посмотрим на усредненное по времени распределение давления на земную поверхность, то мы увидим там только концентрические, параллельные плоскости географических параллелей изобары. Однако если посмотреть на ежедневную синоптическую карту, то можно увидеть, что на протяжении суток течение отнюдь не равномерное. В умеренных широтах над Южным (Антарктическим) океаном почти всегда имеют место от четырех до семи штормов. Поскольку шторма происходят во всей зоне умеренных широт, усреднив эти данные по времени, мы получаем равномерное распределение по Южному полушарию.

Океаническая циркуляция приводится в действие двумя механизмами: ветром над поверхностью океана и понижением температуры в субполярных широтах вследствие охлаждения морской воды и образования морских льдов. Циркуляция течений в верхнем океане возникает главным образом под влиянием ветра, который также является причиной (мерзлотного) вспучивания земной поверхности на побережье, в частности, на западном побережье Южной и Северной Америки, а также Гольфстрима и его «двойника» в северной части Тихого океана у японских островов – Куросио1.

Циркуляция «глубинных вод океана», т. е. океанических течений на глубине нескольких тысяч метров, имеет «термо-галинную» природу, т. е. вызвана разной плотностью на разных уровнях. По сути это те же процессы, что и в атмосфере, только вместо нагревания снизу (в тропиках) происходит охлаждение сверху (на поверхности субполярных океанов). Это охлаждение утяжеляет воду («термический эффект»). Тот же эффект имеет образование морского льда, поскольку в нем не содержится морской соли, которая остается в жидкой воде. В результате в жидкой воде повышается концентрация соли, и она становится более тяжелой («галинный эффект»). Когда поверхностные воды утяжеляются, вертикальная стратификация становится неустойчивой, и начинается конвекция. Поверхностные воды переносятся в глубину. В современных климатических условиях этот процесс происходит в северной Атлантике и в Южном океане у границ Антарктики. На глубине в этом случае происходят компенсаторные перемещения от областей понижения, и в других регионах, например, в Тихом океане, уровень воды поднимается.

Термо-галинная циркуляция происходит намного медленнее, чем циркуляция под воздействием ветров. Для состояния океанической поверхности она не имеет большого значения, однако она определяет состояние глубинных вод океана, а, следовательно, в долгосрочной перспективе, также климат на его поверхности. На самом деле нынешнее холодное состояние глубинных слоев океана (вблизи океанического дна температура воды приближается к точке замерзания) отнюдь не единственно возможное. Как в 1907 году доказал американец Томас Кальм Чемберлен (1843–1928), в ранние периоды истории Земли глубинные воды океана были теплыми1. Для того чтобы океанические воды прошли полный цикл глобальной термо-галинной циркуляции, им требуется от одной до двух тысяч лет. Вода, которая сейчас находится у дна Атлантического океана, начала свой путь с поверхности на глубину во времена викингов. Медленное погружение воды на глубину океана можно очень хорошо проследить по перемещению радиоактивного углерода (С14).

В климатических процессах океан – это не пассивный компонент, реагирующий на происходящее в атмосфере. Он сам тоже сильно влияет на атмосферу, определяя температуру в ее нижних слоях, а кроме того, являясь важнейшим источником водяных испарений. Вы только представьте: океан занимает 71% всей поверхности земли! Попадающий в атмосферу пар влияет на ее радиоактивность, а, следовательно, и на количество энергии, которую атмосфера получает от Солнца и которую она отражает в космос. Там, где водяные испарения конденсируются, т. е. превращаются обратно в воду, высвобождается термическая энергия. В этой связи применительно к пару говорят о скрытой энергии, так как сначала она никак не проявляется, а становится ощутимой только при переходе из газообразного состояния в жидкое. Конденсированный пар выпадает на землю в виде дождя или снега, проникает в почву и по рекам снова возвращается в море: круговорот замыкается.

Криосфера включает в себя ледниковые и снежные покровы Земли, которые в климатическом механизме выполняют две функции. Во-первых, они изолируют океан и поверхность земли от атмосферы, существенно ограничивая тепло- и влагообмен. Во-вторых, ледяные и снежные покровы имеют гораздо более высокий альбедо, чем другие поверхности – океан, пустыня или области с растительным покровом. Альбедо – это относительная доля отражаемого солнечного излучения. У свежевыпавшего снега альбедо достигает 95%, тогда как на морской поверхности этот показатель может не доходить до 10%.

Итак, атмосфера Земли – то, что в обыденной речи мы называем воздухом – не является изолированной физической системой, а состоит в разнообразных причинно-следственных связях с другими сферами Земли.

Как мы уже упоминали, динамика климата порождает отклонения в любых временных шкалах. Динамический механизм этого процесса отличается от других явлений. Если абстрагироваться от уже упомянутых внешних циклов суточного и годового хода, то окажется, что эта изменчивость в значительной степени обусловлена внутренними процессами. Ключевыми словами здесь являются «нелинейность», которая может мгновенно превратить ничтожно малое нарушение в большое последствие, и «бесконечное множество взаимосвязанных факторов». Первое явление известно как «эффект бабочки»: взмах крыльев бабочки можно кардинальным образом изменить ход развития системы. Второй эффект можно наглядно представить в виде существования несчетного множества бабочек, которые беспрерывно взмахивают крыльями, так что результат их действий невозможно отличить от случайного процесса. Динамика климатической системы трансформирует эту кажущуюся случайность в упорядоченную крупномасштабную структуру вариаций.

К обусловленным внешними причинами колебаниям в климатической системе относятся океанические и атмосферные приливы и отливы, а также колебания солнечного излучения, изменения оптических характеристик стратосферы вследствие извержения вулканов, изменения параметров земной орбиты, положение и топография континентов. Влияние приливов проявляется очень быстро, воздействие вулканов ограничивается одним-двумя годами. Масштаб воздействия солнечной активности пока до конца не изучен. Два других процесса охватывают период от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет.

В завершение мы хотели бы указать на взаимосвязь глобального и регионального или локального климата1. В классической географической традиции знания о глобальном климате выводятся из знаний о совокупности региональных климатов. Однако с естественнонаучной точки зрения это отождествление неверно. Как мы видели, различные режимы излучения в высоких и низких широтах определяют общую структуру атмосферной (и океанической) циркуляции, включая тропические ячейки Хэдли, зоны западных ветров и штормовые зоны в средних широтах, где климатические процессы трансформируются под воздействием больших горных массивов и общего соотношения моря и суши. Чтобы показать, что в реальности значение имеют только действительно самые крупные структуры, заметим, что, например, исчезновение австралийского континента не привело бы к изменению глобального климата – по крайней мере, в математической модели, но, разумеется, повлияло бы на климат Австралии. Эта глобальная структура и есть «глобальный» климат, который практически не зависит от региональных данностей. Региональный климат, в свою очередь, можно трактовать как глобальный климат, видоизмененный под воздействием региональных условий, т. е. специфического типа земной поверхности (пустыня, тропический лес, степь), региональных горных массивов (Альпы), морей (Средиземное море) и крупных озер (Каспийское море). Локальные климаты формируются на основе регионального климата в результате адаптации к местным (локальным) особенностям, таким как крупные города, небольшие озера (Боденское озеро) или горы (Гарц). Правильность такой «каскадной трактовки» климата подтверждена успешностью климатических моделей (см. также: von Storch et al., 1999). Такие модели всегда «дискретизируют» процессы, располагая их на конечной координатной сетке, а не в виде континуума, как это имеет место в реальности. Это означает, что можно отобразить только те процессы, которые на пространственной (или временной) шкале по масштабу больше, чем заданное дискретизацией минимальное значение. Поэтому в таких моделях не отображены локальные климаты, из которых можно было бы вывести картину регионального климата, и региональные климаты, как правило, тоже не представлены в полном объеме. Но, несмотря на это, данные модели успешно описывают глобальный климат. Практика показывает, что в прежних моделях структуры, величина которых варьировалась в районе нескольких тысяч километров, были отображены правильно. Развитие компьютерных технологий сегодня позволяет снизить порядок моделируемых величин до нескольких сотен километров. Если бы классическое отождествление глобального климата с совокупностью региональных климатов было верным, то все попытки успешно симулировать глобальный климат при помощи климатических моделей были бы обречены на неудачу.

И, наконец, мы хотели бы кратко рассказать о естественнонаучном понимании метеорологических событий, которые играют решающую роль в повседневной жизни, т. е. поговорить о погоде.

Типичное пространственное отображение актуального состояния атмосферы – это метеорологическая карта. На таких картах обычно отмечены важнейшие переменные погоды: атмосферное давление, направление и сила ветра и температура. На них можно изобразить большие циклоны и антициклоны, простирающиеся на несколько тысяч километров. В крупномасштабные структуры включены более мелкие, такие как области дождей. Изменение отображенных на такой карте метеоусловий, в первую очередь образование, перемещение и стабилизация циклонов и антициклонов, кардинально отличается от определяемых внешними факторами суточных и годовых циклов. У метеоусловий нет четкой продолжительности цикла. Также невозможно выделить внешние факторы влияния, так что можно считать, что их возникновение обусловлено внутренними причинами. Причина переменчивости погоды в Европе заключается в динамике неустойчивого полярного фронта. Нормальная погода – это совершенно необычная ситуация. Вероятность наступления среднестатистической погоды очень мала. Средние величины маскируют высокую вариативность погодных явлений. Капризы погоды – это совершенно обычное явление. При отображении метеоусловий необходимо всегда помнить о взаимозависимости отдельных явлений. Антициклон образуется вследствие температурного градиента и его окружения, точно так же как сам температурный градиент обусловлен перепадами давления.

Господствующие в наших широтах циклоны и антициклоны можно предсказать на основании их собственной динамики только на период приблизительного цикла их существования, т. е. на несколько дней. Сложность прогнозирования растет вместе с нестабильностью макросиноптической ситуации, т. е. прежде всего там, где велико влияние полярного фронта. Для предсказания меньших образований, таких как дождевые или грозовые области, действует тот же принцип: прогноз возможен только на период их жизненного цикла.

Так что ненадежность погоды совершенно не противоречит вере в нормальное протекание климатических процессов в той или иной точке земного шара.

3.3 Климат как социальный конструкт

Климат и погода с давних пор играют важную роль в жизни человека. Об этом свидетельствует не только тот факт, что разговоры о погоде занимают огромное место в нашей повседневной жизни, что в нашем плохом самочувствии мы виним погоду или климат, что ни одно современное средство массовой информации не желает отказываться от регулярных сообщений о метеоусловиях, но и то, что изучение климата и особенно его влияния на человека и общество всегда приковывало к себе внимание науки и общественности. Размышления о влиянии климата на самочувствие и психику человека являются достоянием многих культур. Это одна из тех тем, которые легко преодолевают социальные границы.

Так, например, известный врач и антрополог Рудольф Вирхов (1821–1902), выступая более ста лет назад перед собранием ученых-натуралистов, обратил их внимание на проблему акклиматизации. При этом он исходил из того, что влияние климата на человека – очевидное для всех явление:

«Известно, что человек, покидая родину и приезжая в другую страну, в самом начале может даже почувствовать некоторую свежесть и прилив сил. Однако через какое-то время, обычно уже через несколько дней, он начинает чувствовать себя не очень хорошо, и ему могут понадобиться дни, недели, а в некоторых обстоятельствах даже месяцы для того, чтобы снова прийти в норму». Далее Вирхов замечает: «Это настолько всем и каждому известно, что мы исходим из того, что любой, кто едет в другую страну и обладает минимальной рассудительностью, принимает меры предосторожности для того, чтобы облегчить себе этот период [адаптации]».

Вирхов идет еще дальше и заявляет, что человеческие органы в период акклиматизации изменяются фактически, и это, как он утверждает, не просто внешние, поверхностные перемены. По Вирхову, процесс адаптации может вылиться в климатическую болезнь. Отсюда делается вывод, что органические изменения могут передаваться по наследству, так что и потомство будет обречено на перманентную акклиматизацию.