Том 71, 2010. № 1, Январь-февраль. Стр. 97-100
Елена Бадьева
Погода: от математики до политики
Моделирование круговорота углерода, учитывающее поступление углекислого газа в атмосферу в результате промышленных выбросов, вырубок лесов, эрозии почв и поглощение его наземными и морскими экосистемами, помогает прогнозировать концентрацию СО2 в атмосфере на десятки лет вперед. Пространственная математическая модель помогает оценить вклад разных стран, в том числе России, в баланс этого парникового газа.
Различные гипотезы о влиянии человека на климат бытовали на протяжении всей истории цивилизации. В каждой мифологии существовали боги, уполномоченные отвечать за погодные явления. Человек ранее не был огражден от превратностей стихии железобетонными стенами, кондиционерами, батареями центрального отопления, и часто именно климатические боги возглавляли сонм небожителей: шумерский Анну, греческий Зевс, удмуртский Инву – всё верховные божества. На погоду люди воздействовали молитвой. Позже, при похолодании в XIV в. (малый ледниковый период), когда в христианских цивилизациях место Всевышнего оказалось единственным, ответственными за скверную погоду назначили ведьм, которые якобы со злым умыслом нагоняли тучи. Далее, в промышленном веке здравомыслия и причинно-следственных связей суждения о формирования климата приобретали все более антропоцентрический характер. В начале XIX в. источником засух/дождей (по обстоятельствам) объявляли громоотводы. В конце XIX в. при освоении засушливых западных Великих равнин Северной Америки считалось, что «дождь идёт за плугом» (rain follows the plow) и возможно превратить пустыню в сад (гипотеза, поддержанная правительством США, но оказавшаяся в итоге неверной). В начале века XX источниками обильных осадков признали коротковолновые радиоприемники…
На сегодняшний день научное сообщество пришло к консенсусу о негативном влиянии промышленности на климат планеты. В декабре 1997 года на встрече в Киото (Япония), посвященной глобальному изменению климата, делегатами из более чем ста шестидесяти стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить промышленные выбросы СО2. Однако не все ученые согласны с официальным консенсусом: часть исследователей считает, что глобальное потепление не более чем миф, и мы наблюдаем естественные вариации изменчивости климата, другие отвергают влияние человека на климатические изменения. Климат Земли зависит от космических процессов: прохождения Солнечной системы через области Млечного пути с различной плотностью газопылевого вещества, Циклов Миланковича (периодических изменений наклона земной орбиты или оси), ритмов солнечной активности. Также изменения климата связаны с тектоникой литосферных плит и интенсивностью вулканической деятельности. Некоторые ученые не отрицают сам факт потепления и допускают его антропогенный характер, но не согласны с тем, что наиболее опасными из воздействий на климат являются промышленные выбросы парниковых газов. Чрезвычайно интересный анализ Киотского протокола можно найти в книге датского экономиста и эколога Бьорна Ломборга «Охладите! Глобальное потепление. Скептическое руководство» (книгу можно скачать здесь). В ноябре 2009 года был взломан почтовый сервер отделения климатологии университета Восточной Англии (одного из трёх основных поставщиков климатических данных для IPCC - Межправительственной группы экспертов по изменению климата) с целью узнать истинное, а не официальное мнение ученых по вопросу изменения климата. Проблема глобального потепления актуальна и представляет собой область академического интереса, но она безусловно и политически ангажирована. От положительного или отрицательного ответа на вопрос о существовании вредоносного глобального потепления и возможных методах борьбы с ним зависят деньги и власть бюрократических учреждений, либо деньги и бизнес организаций промышленных.
В обсуждаемой статье А.М. Тарко представлена математическая модель глобального цикла углерода в биосфере (см. также: А. М. Тарко. Система моделей глобальных биогеохимических циклов в биосфере). Предполагается, что до начала серьезных антропогенных воздействий (условно – до 1860 г.) экосистема планеты находилась в положении равновесия, и антропогенные выбросы СО2 в атмосферу отсутствовали. Вся территория земной суши в модели разделена на ячейки размером 0,5х0,5о географической сетки. Климат в ячейках характеризуется среднегодовой температурой воздуха и количеством осадков за год. Концентрация СО2 в воздухе принята одинаковой для всех ячеек. Значения температур и осадков для каждой ячейки в зависимости от концентрации СО2 в атмосфере (парниковый эффект) рассчитываются на основе моделей общей циркуляции атмосферы и океана (модели Шлессинжера и Пархоменко).
Учитываются следующие антропогенные воздействия, приводящие к росту СО2 в атмосфере: сжигание ископаемого органического топлива (индустриальные выбросы), вырубку лесов, эрозию почв.
Модель описывается системой обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. Переменными являются: количество углерода в атмосфере, в биомассе живых растений, в гумусе почвы. Единица времени модели – один год. Предполагается, что годичная продукция растительности (в каждой ячейке) зависит от концентрации СО2 в атмосфере, осадков и температуры воздуха. Весь СО2 вырубок поступал в атмосферу, интенсивность разложения гумуса зависела от температуры и осадков. По данным за предыдущие годы подсчитаны темпы роста индустриальных выбросов, вырубок и эрозии почв.
Получилось, что реакция экосистем на повышение количества СО2 и температуры атмосферы приводит к росту продуктивности растений и поглощению ими СО2 , а также депонированию (запасанию) СО2 гумусом.
Если рассматривать зональную динамику распределения поглощения/выделения СО2, то экосистемы средних и высоких широт Северного и Южного полушарий поглощали СО2, а в экваториальной – выделяли. В принципе, чем ближе к экватору находится экосистема, тем в меньшей степени она поглощает СО2, а вблизи экватора происходило выделение СО2.
Территория России в течение 1860-2005 гг. была стоком СО2, больше всего СО2поглощали лесные экосистемы. Максимальный вклад в прирост СО2 давали промышленно развитые США и Япония и страны с наибольшим населением, Китай и Индия.
В статье сравниваются несколько сценариев выполнения Киотского протокола. Отмечено, что прекращение вырубки и эрозии почв не ведут к значимому эффекту. Однако ограничение промышленных выбросов, при условии выполнения ограничения всеми странами, включая США, дало бы заметное уменьшение темпа роста СО2 В таком случае концентрация СО2 повысилась бы к 2060 году (по сравнению с 1860г.) в 1,44 раза, что меньше, чем при базовом сценарии.
О связи углекислого газа и климата А. М. Тарко в других своих работах (Тарко, Кузнецова, 2001; Тарко, 2001) замечает: «несмотря на то, что согласно моделям, при повышении концентрации СО2 в атмосфере должна повышаться температура атмосферы, нельзя утверждать, что происходящее в настоящее время потепление климата определяется ростом СО2 в атмосфере». И тем не менее, несмотря на неопределенность факторов, влияющих на изменения климата, необходимо руководствоваться принципом предосторожности: «в случае возможности нанесения серьезного или непоправимого ущерба природе недостаток научной информации не должен служить причиной для отсрочки эффективных по затратам мер по предотвращению деградации окружающей среды» (Декларация Конференции ООН по окружающей среде и развитию, Рио-де-Жанейро, 1992г.)