Парниковая катастрофа

ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА

Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.

Институт биофизики клетки РАН,

г. Пущино Московской обл., ул. Институтская 3,

e-mail: [email protected]

Тезисы доклада

1. Биосферные механизмы связывания СО2 недостаточны для компенсации антропогенного выброса

2. Наличие в неживой природе потенциально опасных источников СО2 может придать климатическим изменениям необратимый характер

3. Асимптотические оценки в рамках радиационно-адиабатической модели двухкомпонентного (СО2+Н2О) парникового эффекта дают величины возможного повышения глобальной температуры более чем на 100 градусов

4. Интегральная климатическая модель, учитывающая тепловую инерцию климатической системы позволяет описать всю совокупность данных наблюдения за климатом и приводит к ожидаемым срокам наступления терминальной стадии парниковой катастрофы - 300 лет (базовый сценарий)

5. Нелинейный характер реакции климатической системы на повышение среднепланетарной температуры может существенно повлиять на конкретные сценарии изменения климата Земли. (Ускорение терминальной стадии парниковой катастрофы до 50-100 лет. Наступление кратковременного 20-50 лет оледенения в Северном полушарии из-за «остановки» Гольфстрима)

Биосферные механизмы связывания СО2 недостаточны для компенсации антропогенного выброса

ПАРНИКОВАЯ КАТАСТРОФА Карнаухов А.В., Карнаухова Е.В.

Раздел 1

БСЭ 1970-1980

Ж ИВОТНЫ Е

УГОЛЬ И НЕФТЬ

ОКЕАН

40 000 Гт

Ф О ТО С И Н ТЕЗ

Гт/год50ДЫ ХА Н И Е

Гт/год48

С Ж ИГАН ИЕТО ПЛИВА

Гт/год5

АТМ О С Ф ЕРА750 Гт

ИЗВЕСТНЯКИ

28 000 000 Гт

0.01 Гт/год

Л ЕС Н Ы ЕП ОЖ А РЫ

Гт/год2

РАСТЕНИЯ

610 Гт

0.1 Гт/год

0.1 Гт/год

0.001 Гт/год

IPCC 2001

IPCC 1995

IPCC 2001

Наличие в неживой природе потенциально опасных источников СО2 может придать климатическим изменениям необратимый характер


Раздел 2

ABIOTIC EARTH CHEMOSYNTHETIC LIFE CO2 + CaO + H2O = CaCO3 + H2O FOTOSYNTHETIC LIFE CO2 + H2O = O2 + CnNm Ca SiO3 + CO2 = CaCO3 + SiO2

CIVILIZATION CnHm + O2 = CO2 + H2O

T(CO2) FOTO-SYNTHETIC

LIFE

CHEMO- SYNTHETIC

LIFE

ABIOTIC EARTH

CIVILIZATION

t

t

CaCO3

CnHm+CaCO3

CaO

ABIOTIC EARTH CHEMOSYNTHETIC LIFE CO2 + CaO + H2O = CaCO3 + H2O FOTOSYNTHETIC LIFE CO2 + H2O = O2 + CnNm Ca SiO3 + CO2 = CaCO3 + SiO2

CIVILIZATION CnHm + O2 = CO2 + H2O

CO2

CO2

CO2

CO2 CO2 CO2

NATURE|VOL400|8 JULY 1999

Асимптотические оценки в рамках радиационно-адиабатической модели двухкомпонентного (СО2+Н2О) парникового эффекта дают величины возможного повышения глобальной температуры более чем на 100 градусов


Раздел 3

Е с л и б ы п а р а м е т р ы а т м о с ф е р В е н е р ы и З е м л и ( а л ь б е д о и и з л у ч а т е л ь н а я с п о с о б н о с т ь ) б ы л иб ы о д и н а к о в ы , у с л о в и е б а л а н с а п о г л о щ е н н о й и и з л у ч е н н о й э н е р г и и ( р а в е н с т в а в с т а ц и о н а р н о мс л у ч а е ) п р и в о д и л о б ы к с л е д у ю щ е м у с о о т н о ш е н и ю м е ж д у с р е д н е п л а н е т а р н ы м и т е м п е р а т у р а м и :

И с п о л ь з у я х о р о ш о и з в е с т н ы е з н а ч е н и я с р е д н и х р а с с т о я н и й д о С о л н ц а В е н е р ы ( R v = 0 . 7 2 3 а .е . ) и

З е м л и ( R E = 1 а . е . ) , с п о м о щ ь ю п р е д ы д у щ е г о в ы р а ж е н и я н е т р у д н о п о л у ч и т ь ч и с л е н н ы е о ц е н к и д л яо т н о ш е н и я с р е д н е п л а н е т а р н ы х т е м п е р а т у р .

Т а к и м о б р а з о м , п о с к о л ь к у с р е д н е п л а н е т а р н а я т е м п е р а т у р а З е м л и с о с т а в л я е т п р и м е р н о 3 0 0 0 К ,

с р е д н е п л а н е т а р н а я т е м п е р а т у р а В е н е р ы д о л ж н а б ы л а б ы б ы т ь в с е г о н а 5 0 0 K в ы ш е ( е с л и б ып а р а м е т р ы а т м о с ф е р э т и х п л а н е т б ы л и б ы о д и н а к о в ы ) .

S u n

E a r t h

V e n u sR V

R E

EV T17.1T

20

ABSR16

W)1((R)W

4IRR T(T)W εσ

(T)W(R)W IRRABSV

E

E

V

R

R

T

T

1. Основные положения

1.1. Адиабатическое приближение

Зависимость температуры воздуха от высоты в радиационно активной части атмосферы (в тропосфере) принимается линейно убывающей (адиабатический градиент)

,

где - температура поверхности планеты (Земли),

- адиабатический градиент.

1.2. 2х-компонентый парниковый эффект в приближении плотной атмосферы.

Считается, что наибольший вклад в тепловое излучение Земли вносит атмосфера (95%), причем основную роль играют 2 парниковых газа - углекислый газ СО2 и пары воды Н2О. Излучение поверхности и малых парниковых компонент не рассматривается.

Радиационно-адиабатическая модель парникового эффекта

zTzT A 0)(

z

К/км10К/мC

g

pA )108.9( 3

0T

1.3. Барометрическое приближение для СО2

Считается, что плотность СО2 не зависит от географической широты и меняется с высотой в соответствии с барометрической формулой:

(изотермическая атмосфера), где – средняя молярная масса воздуха; – масса атома водорода; – постоянная Больцмана, –

плотность СО2 на уровне моря (поверхности планеты).

1.4. Изотермическое приближение для паров воды (Н2О)

Принято, что средняя концентрация паров воды в атмосфере определяется температурой окружающего воздуха, которая, наряду с зависимостью от географического положения,

линейно зависит от высоты (адиабатическое приближение):


z

zkT

gmz

eff

HвоздCOCO exp)( 220

))(()),((),( 0222 zTzTz AOHOHOH

29возд

кгmH271067.1


1.5. Условие постоянства падающей энергии

Условие радиационного баланса для состояния термодинамического равновесия требует равенства падающей и излучаемой планетой энергии

В рамках базового варианта радиационно-адиабатической модели - солнечная постоянная и - альбедо планеты считаются константами. Соответственно, является константой величина излучаемой планетой энергии

constTWSW COизлпад ),(4/)1( 002

S


2. Аналитическое выражение для энергии теплового излучения

Сделанные предположения позволяют записать аналитическое выражение для энергии теплового излучения:

)))((/exp(

2),,,,(),(

0

3

000022

A

COизлCOизл

Tkhc

hdzddzTWdzddTW

))(()(exp)( 00

2222 zTazkT

gma A

OHOH

eff

HвоздCOCO

))(()(exp)(exp 002222

AOH

z

OH

eff

Hвозд

Hвозд

effCOCO TdazkT

gm

gm

kTa


3. Вычисление величины климатической чувствительности (дифференциального парникового эффекта)

3.1. Общий вид выражения для дифференциального парникового эффекта

Условие постоянства излучаемой планетой энергии позволяет непосредственно вычислить величину дифференциального парникового эффекта

0),(),(

00

000

0

002

2

2

2

dTT

TWd

TWdW

COизлCO

CO

COизлизл

22

2

2

00

00

0

000

),(),( COCOизл

CO

COизл

dT

TWTWdT


3.2. Трансляционно-дилатационная группа преобразований

Наличие специальной группы преобразований, оставляющей инвариантной величину

суммарной излучаемой мощности :

где - средний (для Земли) адиабатический градиент

- высота, на которой плотность воздуха уменьшается в e раз

позволяет практически сразу записать выражение для дифференциального парникового эффекта

).ln(~

;~

000

0022

HTT A

COCO

),( 002 TW COизл

2

22

2

22

0

00

0

000 ln)59(ln

CO

COCO

CO

COCO

KHT

кмKC

g

pA /8

кмgm

kTH

Hвозд

4,70


3.3. Сравнение результатов радиационно-адиабатической и радиационно-конвективной модели парникового эффекта.

Выражения для дифференциального парникового эффекта в рамках радиационо -адиабатической и радиационно-конвективной модели совпадают

Параметр получил название параметра климатической чувствительности.

Радиационно-адиабатическая Радиационно-конвективная (IPCC)

Параметр имеет интерпретацию асимптотического изменения среднепланетарной температуры Земли при удвоении концентрации СО2

2

22

0

00lnCO

COCO

T

K)5937(

K)4025(2

K5,62,2

K5,45,12 2

2

Квадратичная регрессионная модель

Регрессионная модель 3 степени

Интегральная климатическая модель, учитывающая тепловую инерцию климатической системы позволяет описать всю совокупность данных наблюдения за климатом и приводит к ожидаемым срокам наступления терминальной стадии парниковой катастрофы - 300 лет (базовый сценарий)


Раздел 4

Учет различных факторов, влияющих на тепловой баланс Земли (IPCC 2001)

Учет различных факторов, влияющих на тепловой баланс Земли (Дополнительные факторы)

Тепловая инерция

климатической системы

Н2О

Аэрозольное загрязнение стратосферы

«Ядерная зима»

.

Модель изменения климата Земли с учетом тепловой инерции климатической системы и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы.

4.1. Базовое уравнение модели

Уравнение, описывающие динамику изменения среднепланетарной температуры Земли

,

где - изменение во времени среднепланетарной температуры Земли;

- время релаксации климатической системы, определяемое суммарной тепловой инерцией Мирового океана, ледников, атмосферы и суши;

- начальные (доиндустриальные) значения среднепланетарной температуры и плотности СО2 у поверхности Земли- изменение во времени концентрации СО2;

- изменение во времени температурного форсинга, связанного с аэрозольным загрязнением верхних слоев атмосферы (стратосфера).

)()()(

ln1)(

2

2

0

00 tTtT

tT

dt

tdTACO

CO

ин

)(tT

ин

200 , COT

)(20 tCO

)(tTA

.


4.2. Основные параметры парникового эффекта

Парниковый эффект характеризуется параметром климатической чувствительности, соответствующим нижней границе интервала оценок для радиационно-адиабатической модели

, где

Изменение средней концентрации углекислого газа с начала индустриальной эпохи до наших дней аппроксимируется экспоненциальной зависимостью от времени:

где , , - доиндустриальный уровень концентрации СО2.

Рассмотрены также варианты фиксации выбросов СО2 на уровне 2000 и 2001 года.

K37

2

22

0

00lnCO

COCO

T

)(20 tCO

2

22 exp3.01)( 00CO

нCOCO ttt

годtн 2000 летCO 452 ppmCO 2802

0

.


4.3. Описание антропогенного аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы

Для описания антропогенного аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы выбрана следующая зависимость от времени:

,

где - зависящая от времени величина температурного форсинга, обусловленная антропогенным загрязнением верхних слоев атмосферы - стратосферы.

Модель предполагает простейшую форму временной зависимости - считается, что до 1939 года антропогенное аэрозольное загрязнение верхних слоев атмосферы отсутствовало, а после 1939 года, резко увеличившись, осталось неизменным до настоящего времени. При этом, величина подбирается из условия наилучшего описания данных наблюдений за 1900-2000 годы.

.1939,

.1939,0)(

гtT

гttT

AA

)(tTA

AT

Изменение температуры в 1900-2000 году.

Данные наблюдений (точки) и модель (красная линия)

Палеоклиматический тест интегральной модели изменения климата с учетом тепловой инерции климатической системы.

Данные наблюдений (точки) и модель (красная линия)

Прогноз изменения температуры в 1900-2100 году.

Синяя линия - ограничение выброса СО2 на уровне 2000 г. Красная линия - продолжение экспоненциального роста выбросов СО2

Прогноз изменения температуры в 2000-4000 году.

Синии линии - ограничение выброса СО2

Красная линия - продолжение экспоненциального роста выбросов СО2

2000 г

2100 г

Изменение климата на больших интервалах времени для планет земной группы

Марсианский климат в прошлом был теплым и влажным?

Нелинейный характер реакции климатической системы на повышение среднепланетарной температуры может существенно повлиять на конкретные сценарии изменения климата Земли. (Ускорение терминальной стадии парниковой катастрофы до 50-100 лет. Наступление кратковременного 20-50 лет оледенения в Северном полушарии из-за «остановки» Гольфстрима)


Раздел 5

1 0 0

1 0

0

2 0 0 0 2 1 0 0 2 2 0 0 2 3 0 0

T im e , y ea rs -1 0

C, T

Различные сценарии развития климатических изменений

Остановка Гольфстрима Оледенение в Сев. полушарии

Базовый сценарий

Изменение альбедо

Выброс океанического СО2. Уменьшение тепловой инерции вследствие нарушения конвекции в океане

IPCC 1995

...У нас не так много шансов дожить до 3 тысячелетия и виной тому парниковый эффект. Через несколько сотен лет, если процесс не замедлится, Земля может превратиться в подобие Венеры, совершенно непригодной для жизни.

...Единственный выход - колонизация других планет. Всех проблем она не решит, но без этого шансы человечества равны нулю…

Стивен Хоукинг

Лекция в Королевском обществе Эдинбурга 2000г.

…Мы тоже получаем убегающие (runaway) решения, но пока не решаемся их опубликовать.

Ленард Бенгсон

Директор Метеорологического института им. Макса Планка

(Грац, Австрия, 2002 г.)

.

Парниковая катастрофа

Documents