Климатические исследования третьего поколения

 

Наиболее надежные результаты эти эксперименты по определению чувствительности климата дают в том случае, когда используется вся иерархия моделей. При этом результаты, полученные с помощью различных моделей, постоянно сравниваются между собой и с данными наблюдений по подходящим климатическим переменным, когда такие данные имеются в распоряжении. Именно такой подход был выбран во всем мире различными независимыми группами специалистов по моделированию климата при исследовании возможного влияния ядерной войны на погоду и климат. Благодаря большому размаху этих исследований теперь некоторые качественные утверждения можно сделать с определенной долей уверенности.
Потенциальная серьезность влияния ядерной войны на погоду и климат была осознана, когда Крутцен и Бирке (Crutzen, Blrks, 1982) установили возможность и грубо оценили инжек-цию дыма в атмосферу. Затем последовали работы по приблизительному расчету оптических эффектов и проведение простых аналитических оценок с помощью одномерных радиационно конвективных моделей первого поколения (Turco et al., 1983 а, b; MacCracken, 1983; Crutzen et al, 1984; Golitsyn, Ginsburg, 1985; Ackerman et al., 1985a; Ramaswamy, Kiehl, 1985). Эти модели были применены для исследования последовательности явлений, представленной в области 1 на рис. 5.1, и позволили дать полуколичественное объяснение зависимости результатов от таких факторов, как количество и распределение поглощающих и рассеивающих частиц по высоте, их коэффициенты рассеяния и поглощения в видимом и инфракрасном диапазонах, распределение частиц по размерам и интенсивность коагуляци-онных процессов.
На следующей стадии использовались двух - и трехмерные атмосферные модели, в которых в некоторых случаях задавалась зависимость плотности дыма и пыли от времени. Загрязнение рассматривалось как оптически активная компонента, изменяющая распределение температуры и циркуляцию, но не переносящаяся гидродинамическими течениями. Таким образом, учитывались процессы, изображенные на рис. 5.1 в области 2. Мак-Кракен (MacCracken, 1983) использовал двумерную модель, тогда как Александров и Стенчиков (Aleksandrov, Stenchikov, 1983), Кови и др. (Covey et al., 1984), Томпсон и др. (Thompson et al., 1984) и Сесс и др. (Cess et al., 1985) провели расчеты для трехмерных моделей. Хотя в некоторых из этих моделей атмосфера делится только на два слоя, что в ряде случаев ограничивает возможности моделирования атмосферной реакции, а в других используется девять уровней, что позволяет детальнее рассчитывать изменения вертикальной структуры атмосферы, оба типа моделей дают аналогичные результаты. Все эти модели ясно показывают, что большие количества дыма изменяют распределения температуры атмосферы и особенно температуру на поверхности. Эти результаты также показывают, что могут возникнуть заметные возмущения атмосферной циркуляции. Если в модели учитывается возможность распространения аэрозоля, то изменение циркуляции в загрязненной атмосфере способствует переносу дыма в широтном направлении. Однако отсутствие обратной связи, благодаря которой возмущенные циркуляционные процессы могли бы менять пространственное распределение аэрозолей, существенно ограничивает реальность результатов.
В исследованиях третьего поколения, которые развиваются в настоящее время, учитывается гидродинамический перенос примесей в двумерной (Haberle et al, 1985) и более реалистично в трехмерных моделях общей циркуляции атмосферы (MacCracken, Walton, 1984; Aleksandrov, 1984; Stenchikov, 1985; Malone et al, 1985; Thompson, 1985). В них учитывается нагревание дыма солнечной радиацией, что приводит к нагреванию воздуха и к изменениям атмосферной циркуляции, которые в свою очередь изменяют вертикальное и горизонтальное распределения дыма и осадков. Эти изменения влияют на количество остающегося дыма и его способность поглощать солнечное излучение, вновь возбуждая цепочку изменений. Из-за наличия сильной связи между атмосферной устойчивостью и возбуждаемыми движениями необходимо реалистическое описание эволюции распределения аэрозоля по высоте, которое не могут дать модели с грубым вертикальным разрешением.
В следующих разделах суммированы принципиальные выводы, которые могут быть сделаны на основании этих исследований. Обсуждаются также эффекты воздействия на океаны, возникновения возмущений муссонной и прибрежной циркуляции, иа возможность которых указывают физические соображения и современные результаты моделирования. Существует вероятность, что эффекты будут иметь место по крайней мере в течение нескольких лет. Приводятся также выводы относительно амплитуды возможных изменений температуры поверхности, которые могут возникнуть после глобальной ядерной войны. Изменение температуры рассматривается как функция локализации, сезона и величины дымовых выбросов. На этой стадии при рассмотрении такой количественной интерпретации следует учитывать, что она является весьма неопределенной в силу ряда причин. В частности, неопределенность присуща предположениям о выборе целей и сценариев войны, о масштабе пожаров и величине и характеристиках эмиссии дыма в них, о формировании конвективных колонок и локальных осадков, о микрофизических процессах выведения аэрозольных частиц. Тем не менее такие оценки в общем качественно справедливы и представляют интерес для дальнейших исследований возможных биологических последствий ядерной войны (см. Harwell, Hutchinson, 1985).
В климатических исследованиях, обсуждающихся ниже, обычно принимается, что в атмосферу будет выброшено определенное количество дыма (а именно 150 млн. т); кроме того, делаются определенные предположения о физических свойствах аэрозоля, от которых зависят оптические эффекты, обусловленные дымом. Во многих исследованиях принимается, что содержание элементарного углерода в дыме составляет 20% и соответственно коэффициент поглощения имеет порядок 2 м2/г. В других исследованиях для оценки поглощения используются более тонкие аналитические подходы. Таким образом, когда указывается количество дыма, следует иметь в виду, что обычно одну пятую массы составляет сильно поглощающая сажа, которая и является критической компонентой.
Оптическая толщина дыма, распространившегося по некоторой области земного шара, обычно определяется либо как оптическая толщина поглощения, либо как оптическая толщина экстинкции (которая учитывает также влияние рассеяния на ослабление интенсивности прямых солнечных лучей). Оптическая толщина поглощения определяется в основном сажевой компонентой дыма, в то время как пылевой аэрозоль вносит основной вклад в рассеяние. Данные обычно приводятся для оптической толщины, соответствующей отвесно падающим лучам. В литературе термины «оптическая толщина» и «толщина экстинкции» часто используются как взаимозаменяемые. Так как значения различных параметров дыма (массы, содержания сажи, площади дымовых облаков, коэффициентов поглощения и рассеяния и т. д.) в различных исследованиях не стандартизированы, следует проявлять осторожность при сравнении и интерпретации результатов расчетов.