Королевское общество и Национальная академия наук США, а также связанные с ними организации, содействующие применению науки во благо общества и информирующие о важных политических дискуссиях, предлагают тем, кто принимает решения, политикам, педагогам и другим лицам, интересующимся новейшими научными знаниями об изменении климата, использовать данную публикацию в качестве основного справочного документа. Этот материал позволяет выяснить, какие утверждения климатологов являются общепризнанными, по каким наметился консенсус, а какие всё ещё остаются спорными. Текст написан и отредактирован группой ведущих учёных-климатологов Великобритании и США. В нём представлены знания о климате, накопленные за долгое время в рамках обеих национальных академий наук, а также новейшие данные, полученные Межправительственной группой экспертов ООН по изменению климата.
Этой работе любезно оказал поддержку американо-британский научный форум Реймонда и Беверли Сэклеров (Raymond and Beverly Sackler USA-UK Scientific Forum).
1. Становится ли климат теплее?
Да. С 1900 года средняя температура приземного слоя воздуха увеличилась примерно на 0,8 °C (1,4 °F), причём в основном рост температуры происходил в период с середины 70-х годов ХХ века вплоть до нынешнего времени (см. Рис. 1a). Это наблюдение и целый ряд других (например, уменьшение площади арктического морского льда и выросшее теплосодержание Мирового океана), а также сигналы, подаваемые живой природой (такие, как смещение к полюсам чувствительных к температуре видов рыб, млекопитающих, насекомых и т. д.), в совокупности неопровержимо свидетельствуют о том, что имеет место глобальное потепление.
Самое яркое свидетельство потепления приземного слоя воздуха — широко применяемая запись показаний термометров. В некоторых местах записывать эти показания начали ещё в конце XIX века. Сегодня мониторинг температуры осуществляется во многих тысячах уголков Земли, причём как на суше, так и на поверхности океана. Косвенные оценки изменения температуры с помощью таких источников, как годичные кольца и ледяные керны, помогают рассматривать недавние изменения температуры в контексте прошлого. Что касается средней температуры приземного слоя воздуха, то, согласно этим косвенным оценкам, 1983—2012 годы были, вероятно, самым тёплым тридцатилетним периодом за более чем 800 лет.
Широкий спектр других наблюдений делает картину потепления в рамках всей климатической системы более полной. Например, установлено, что прогрелись нижние слои атмосферы и верхние слои океана, уменьшается снежный и ледяной покров в Северном полушарии, тает Гренландский ледяной щит, повышается уровень моря (см. Рис. 1b). Применение для этих измерений разных систем мониторинга позволяет говорить о реальности потепления земного климата с очень высокой степенью уверенности.
2. Откуда учёным известно, что недавние изменения климата в значительной степени вызваны деятельностью человека?
Учёные выяснили, что недавние изменения климата в значительной степени вызваны деятельностью человека, благодаря изучению фундаментальных основ этих изменений, сравнению наблюдений с моделями и выявлению характерных особенностей детализированных паттернов изменения климата, возникающих в результате разнообразных воздействий человека и природы.
С середины XIX века учёным известно, что СО2 — один из основных парниковых газов, играющих важную роль в энергетическом балансе Земли. Прямые измерения уровня СО2 в атмосфере и в пузырьках воздуха, захваченных льдами, говорят о том, что с 1800 по 2012 год содержание СО2 в атмосфере увеличилось примерно на 40%. Как показало исследование процентного соотношения различных форм углерода (то есть его изотопов, см. Вопрос 3), этот рост связан с деятельностью человека. Она же виновница увеличения уровня других парниковых газов (особенно метана и закиси азота). Наблюдаемое с 1900 года глобальное повышение температуры приземного слоя воздуха согласуется с результатами подробных расчётов, проведённых для определения воздействия на энергетический баланс Земли наблюдаемого увеличения доли содержащегося в атмосфере СО2 (и других изменений, вызванных человеком).
Разные формы влияния на климат оставляют разные следы. Эти уникальные «отпечатки пальцев» легче разглядеть, исследуя не один из параметров изменения климата (например, среднюю температуру приземного слоя воздуха), а географические и сезонные паттерны. Наблюдаемые паттерны потепления приземного слоя воздуха, изменения температуры других слоёв атмосферы, увеличения теплосодержания Мирового океана, повышения влажности атмосферы, роста уровня моря и ускорения таяния льдов на суше и на море также соответствуют тем паттернам, которые, согласно научным прогнозам, должны наблюдаться в связи с повышением уровня СО2 и другими изменениями, вызванными человеком (см. Вопрос 5).
Ожидаемые изменения климата основаны на нашем знании о том, как парниковые газы задерживают тепло. Благодаря этому фундаментальному знанию о влиянии парниковых газов и результатам исследования паттернов можно утверждать, что для объяснения изменений климата, наблюдаемых в последнее время, одних природных факторов недостаточно. К природным факторам относятся вариации солнечного излучения и земной орбиты, извержения вулканов и внутренние колебания, происходящие в климатической системе, (к примеру, явления Эль-Ниньо и Ла-Нинья). Чтобы выяснить, какими были бы глобальные значения температуры при влиянии на климатическую систему одних лишь природных факторов, учёные провели расчёты с использованием климатических моделей (см. «Подробнее о … компьютерных моделях»). Симуляции климата, осуществляемые при данных условиях, дают для ХХ века либо незначительное потепление, либо слабое похолодание. И лишь с учётом человеческого фактора удалось получить симуляции, в которых изменения температуры согласуются с реально наблюдаемыми изменениями.
3. Для земной атмосферы наличие в ней CO2 является естественным, и, раз так, стоит ли бить тревогу в связи с производимыми в ходе человеческой деятельности выбросами этого газа в атмосферу?
Человеческая деятельность существенно нарушила естественный углеродный цикл, ибо, извлекая на поверхность ископаемое топливо, человек сжигает его для получения энергии, в результате чего в атмосферу попадает СО2.
В природе атмосфера, растения и животные постоянно обмениваются СО2 посредством фотосинтеза, дыхания и разложения, а атмосфера и океан — посредством газообмена. Кроме того, незначительное количество СО2 (примерно 1% от уровня выбросов при сжигании ископаемого топлива) выделяется при извержениях вулканов. Это уравновешивается тем, что столько же углекислого газа удаляется из оборота в процессе химического выветривания горных пород.
В 2012 году уровень СО2 оказался примерно на 40% выше, чем в девятнадцатом веке. В основном рост имел место в последние десятилетия, начиная с 1970 года, то есть примерно в то время, когда резко ускорилось мировое потребление энергии. Согласно проведённым измерениям, произошло снижение доли других форм углерода (изотопов 14C и 13C), а также несколько понизилась концентрация в атмосфере кислорода (наблюдения, ставшие возможными с 1990 года). Это говорит о том, что рост уровня СО2 происходит главным образом из-за сжигания ископаемого топлива (где есть небольшие фракции 13C и нет фракций 14C). Кроме того, к высвобождению из земной биосферы (живой природы) углерода, обычно пребывающего в ней на протяжении десятилетий и даже столетий, привели вырубка лесов и другие изменения в землепользовании. Дополнительные количества СО2, которые возникают при сжигании ископаемого топлива и вырубке лесов, нарушили баланс углеродного цикла, поскольку скорость естественных процессов, способных восстановить этот баланс, намного меньше скорости, с которой человечество добавляет в атмосферу СО2. В результате значительная доля этого добавочного СО2 накапливается в атмосфере и частично может оставаться там на протяжении не только десятилетий или столетий, но и тысячелетий. Сравнение нынешнего уровня СО2 с уровнями, выявленными в воздухе, извлечённом из ледяных кернов, показало, что сейчас концентрация углекислого газа самая высокая за, как минимум, 800 000 лет (см. Вопрос 6).
4. Какова роль Солнца в изменении климата, происходящем в последние десятилетия?
Для климатической системы Земли Солнце является основным источником энергии, но идущие на нём процессы не внесли существенного вклада в изменение климата, наблюдаемое на протяжении последних десятилетий. Хотя в период с конца 70-х годов ХХ века по наши дни, согласно прямому измерению, которое осуществляется при помощи спутников, чистого роста солнечного излучения не было, за это же время глобальные значения температуры приземного слоя воздуха выросли (см. Рис. 2).
Сведения об активности Солнца в более ранние периоды менее достоверны, поскольку их добывают путём анализа косвенных источников — таких, как количество солнечных пятен и распространённость в атмосфере Земли определённых форм (изотопов) углерода или бериллия, на скорость образования которых влияют изменения, происходящие на Солнце. Имеются свидетельства о том, что 11-летний цикл солнечной активности, в течение которого излучение Солнцем энергии меняется примерно на 0,1%, может влиять на концентрацию озона, температуру и ветер в стратосфере (в атмосферном слое, находящемся выше тропосферы на высоте от 12 до 50 км в зависимости от широты и времени года). В ходе 11-летнего цикла эти стратосферные изменения способны оказывать некоторое влияние на климат поверхности Земли. Однако, согласно имеющимся данным, за прошедшее столетие, в течение которого антропогенное повышение концентрации СО2 оказывало доминирующее влияние на долгосрочное повышение глобальной температуры приземного слоя воздуха, никаких ярко выраженных долговременных изменений солнечное излучение не претерпело. Ещё одним доказательством того, что текущее потепление не является результатом изменений, происходящих на Солнце, являются температурные тенденции, выявленные в атмосфере на разных высотах (см. Вопрос 5).
5. Что говорят нам о причинах недавнего изменения климата изменения в вертикальной структуре температуры воздуха — от земной поверхности до стратосферы?
Потепление и похолодание, наблюдаемые, соответственно, в нижних и верхних слоях атмосферы, дают нам ключ к пониманию фундаментальных причин изменения климата и свидетельствуют о том, что ссылок на одни лишь природные факторы недостаточно для объяснения этого изменения.
В начале 60-х годов ХХ века на математических/физических моделях климатической системы впервые было показано, что вызываемое человеком увеличение уровня СО2 должно постепенно разогревать нижние слои атмосферы (тропосферу) и охлаждать её более высокие слои (стратосферу). Напротив, усиление солнечного излучения должно разогревать как тропосферу, так и всю — снизу доверху — стратосферу. Данные наблюдений, имевшиеся в то время, не позволяли проверить этот прогноз, но позднее благодаря замерам температуры, проведённым с метеозондов и спутников, он получил подтверждение. Как выяснилось в настоящее время, наблюдаемая в течение последних 30—40 лет картина тропосферного потепления и стратосферного охлаждения хорошо соответствует симуляциям, осуществлённым в рамках тех компьютерных моделей, при создании которых предполагалось, что деятельность человека вызовет увеличение уровня СО2 и уменьшение в стратосфере озона. Наблюдаемую картину нельзя объяснить чисто естественными изменениями, происходящими на Солнце, вулканической активностью или такими природными изменениями климата, как Эль-Ниньо и Ла-Нинья.
Между смоделированными и наблюдаемыми глобальными паттернами изменения температуры воздуха, несмотря на отмеченную корреляцию, всё ещё есть некоторые нестыковки. Наиболее заметные различия связаны с тропосферой тропиков и Арктики: в первом случае потепление оказалось ниже, чем должно быть, согласно симуляциям, а во втором — выше, чем в большинстве симуляций.
6. Климат постоянно меняется. Почему же сейчас изменение климата вызывает беспокойство?
Все крупные изменения климата, в том числе природные, имеют разрушительный характер. В прошлом они сопровождались вымиранием многих видов, миграциями популяций, а также существенными изменениями ландшафтов и серьёзными сдвигами в циркуляции Мирового океана. Нынешнее изменение климата идёт быстрее, чем большинство изменений, происходивших раньше, и это затрудняет адаптацию к нему людей и природы.
Наиболее крупными изменениями климата глобального масштаба в недавнем геологическом прошлом являются циклически повторяющиеся ледниковые периоды (см. «Подробнее о … ледниковых периодах»), которые представляют собой эпохи оледенения, прерываемые более короткими эпохами потепления (см. Рис. 3). Каждый из ряда последних ледниково-межледниковых циклов длился примерно 100 000 лет. Их темп в основном определяется медленными колебаниями орбиты Земли, которые сказываются на распределении солнечной энергии в зависимости от широты и времени года. Одних этих колебаний недостаточно для того, чтобы вызвать наблюдаемое изменение температуры или оказать глобальное воздействие на Землю. Они всего лишь ведут к изменениям площади ледяного покрова, а также концентрации СО2 и других парниковых газов, которые усиливают начальное изменение температуры и завершают глобальный переход от потепления к похолоданию или наоборот.
Согласно недавним расчётам, рост средней глобальной температуры после завершения последнего ледникового периода составил от 4 до 5 °C (от 7 до 9 °F). Это изменение, начавшееся 18 000 лет назад, произошло примерно за 7000 лет. Только за последние 200 лет уровень СО2 вырос на 40%, содействуя изменению энергетического бюджета планеты, которое осуществляет человек и которое пока что вызвало потепление примерно на 0,8 °C (1,4 °F). Если рост СО2 будет продолжаться без контроля, то к концу этого столетия или чуть позже потепление достигнет максимальных значений межледниковой эпохи. Скорость этого потепления окажется более чем в десять раз выше, чем скорость роста температуры в конце ледникового периода, то есть скорость самого быстрого из известных науке естественных циклических изменений глобального масштаба.
7. Является ли нынешний уровень концентрации в земной атмосфере СО2 беспрецедентным?
Очень вероятно, что для последнего миллиона лет, который охватывает эволюцию предков человека и развитие человечества, нынешний уровень концентрации в атмосфере СО2 является беспрецедентным. Однако, согласно палеоклиматическим и геологическим данным, в более далёком прошлом планеты (много миллионов лет назад) этот уровень был выше, так же как температура и уровень моря.
Измерения воздуха, взятого из ледяных кернов, говорят о том, что на протяжении последних 800 000 лет, вплоть до ХХ века, концентрация в атмосфере СО2 оставалась в диапазоне от 170 до 300 частей на миллион (млн?1). На этом фоне скачок до уровня почти 400 млн?1, осуществлённый за последние 200 лет, — весьма примечательный факт (см. Рис. 3). В течение последних 800 000 лет при прохождении ледниково-межледниковых циклов СО2 и метан выступали как важные усилители климатических изменений, приводимых в действие колебаниями орбиты Земли при её движении вокруг Солнца. С потеплением, сменившим последний ледниковый период, примерно в одно и то же время стали расти температура и уровень СО2. Их тандемный рост начался примерно 18 000 лет назад и завершился 11 000 лет назад. Изменения, произошедшие с температурой океана, его циркуляцией, химическим и биологическим содержанием, привели к выбросу в атмосферу дополнительного количества СО2, что в сочетании с другими обратными связями сделало климат Земли ещё более тёплым.
Для более ранних геологических эпох значения концентрации СО2 и температуры были выявлены с помощью косвенных методов исследования. Согласно полученным данным, в последний раз концентрация CO2 поднималась до отметки 400 частей на миллион примерно 3—5 миллионов лет назад. В то время, по оценкам специалистов, глобальная средняя температура приземного слоя воздуха была примерно на 2—3,5 °C выше, чем в доиндустриальный период. 50 миллионов лет назад концентрация СО2 могла доходить до 1000 частей на миллион, а средняя глобальная температура была, вероятно, примерно на 10 °C выше, чем сейчас. В этих условиях ледяной покров был незначительным, а уровень моря — как минимум на 60 метров выше нынешнего.
8. Существует ли такой уровень СО2, превышение которого не вызывает дальнейшего потепления?
Нет. Добавление в атмосферу СО2 неизбежно повышает температуру приземного слоя воздуха. Выбросы в атмосферу добавочных порций СО2 по мере увеличения его концентрации делают всё менее эффективным удержание в атмосфере земной энергии, но температура приземного слоя всё равно растёт.
Наше понимание того, как СО2 влияет на энергетический баланс Земли, получает подтверждение в ходе лабораторных исследований, а также детализированного спутникового и наземного наблюдения за излучением и поглощением атмосферой инфракрасной энергии. Парниковые газы поглощают часть инфракрасной энергии, которая излучается Землёй, на определённых длинах волн, образующих так называемые полосы усиленного поглощения. Различные газы поглощают энергию на волнах разной длины. Для СО2 полоса наиболее сильного улавливания тепла — волны длиной 15 микрометров (миллионных долей метра) плюс-минус несколько микрометров. Кроме того, есть множество менее сильных полос поглощения. С увеличением концентрации СО2 поглощение в центре сильнейшей полосы приобретает такую интенсивность, что дальнейший рост концентрации уже не оказывает былого воздействия на температуру приземного слоя воздуха. Однако когда эта интенсивность достигнута, менее сильные полосы и крылья сильнейшей полосы поглощают энергии больше, чем раньше, вызывая дальнейшее нагревание приземного слоя и тропосферы.
9. Варьирует ли скорость потепления от одного десятилетия к другому?
Да. В полном соответствии с теорией климатической системы наблюдаемая скорость потепления не остаётся одной и той же в разные годы или десятилетия и в разных местах. Эти кратковременные изменения в основном определяются естественными причинами и не противоречат фундаментальному утверждению о том, что долгосрочная тенденция к потеплению в основном обусловлена растущим антропогенным воздействием на концентрацию в атмосфере СО2 и других парниковых газов.
Несмотря на то, что уровень СО2 в атмосфере постоянно растёт, ведя к постепенному нагреванию земной поверхности, многие природные факторы модулируют это долгосрочное потепление. Сильные извержения вулканов увеличивают количество в стратосфере отражающих солнечный свет частиц, что вызывает кратковременное охлаждение поверхности Земли. Оно обычно длится два — три года, после чего происходит медленное возвращение к исходному состоянию. Циркуляция и перемешивание океана естественным образом варьируют во многих временных масштабах, вызывая колебания температуры поверхности моря, а также изменение скорости переноса тепла на большие глубины. Например, тропическая часть Тихого океана колеблется между тёплым Эль-Ниньо и более прохладным Ла-Нинья с периодами длиной от двух до семи лет. Учёные знают и исследуют много различных типов циклических изменений климата, каждое со своими уникальными свойствами, — такие, как изменения, которые раз в десятилетие или в несколько десятилетий происходят в Тихом океане и Северной Атлантике. Эти океанические вариации связаны со значительными региональными и глобальными сдвигами в температурном режиме и характере выпадения осадков, которые легко фиксируются при наблюдении.
Потепление от десятилетия к десятилетию может определяться и антропогенными факторами — такими, как изменения в количестве выбросов в атмосферу парниковых газов и аэрозолей (переносимых по воздуху частиц, способных вызывать как потепление, так и охлаждение), которые осуществляют работающие на угле электростанции и другие источники загрязнения.
Эти вариации в рамках температурного тренда ясно прослеживаются в отчётах о наблюдениях за температурой (см. Рис. 4). Кратковременные природные изменения климата тоже могут влиять на сигнал об антропогенном характере долгосрочного изменения климата. Однако возможно и обратное влияние, ибо изменения климата в разных пространственных и временных масштабах могут взаимодействовать друг с другом. Отчасти по этой причине прогнозы об изменении климата делаются с использованием климатических моделей (см. «Подробнее о … компьютерных моделях»), способных учитывать различные типы климатических изменений и их взаимодействия. Надёжные выводы об изменениях климата, вызываемых человеком, дают лишь крупномасштабные исследования, которые используют данные о климате, охватывающие многие десятилетия.
10. Означает ли недавнее замедление потепления завершение изменения климата?
Нет. 1998 год из-за сильного Эль-Ниньо 1997 — 1998 годов оказался очень тёплым. Однако предшествовавшее этому году десятилетие стремительного роста температуры прекратилось, и впоследствии наблюдалось более медленное повышение средней температуры приземного слоя воздуха. Несмотря на это, 2000-е годы были теплее, чем 90-е годы ХХ века. Кратковременное замедление потепления приземного слоя воздуха не отменяет долгосрочного прогноза о росте глобальной температуры под влиянием парниковых газов, которые поступают в атмосферу в ходе человеческой деятельности.
Десятилетия медленного потепления, как и десятилетия ускоренного потепления — естественные изменения, происходящие в климатической системе. Последние 150 лет наблюдаются то холодные, то тёплые по сравнению с долгосрочной тенденцией десятилетия, и это учитывается при создании климатических моделей. Поскольку в атмосфере скапливается очень мало тепла, температура приземного слоя воздуха в разных уголках мира может быстро меняться под влиянием тепла, поглощённого другими местами климатической системы, и изменений, возникающих в сфере внешнего воздействия на климат (например, вызываемых частицами пепла, поднявшимися в верхние слои атмосферы в результате извержений вулканов). Более 90% тепла, поступающего в приземный слой воздуха, поглощается океанами и очень медленно проникает в глубокие воды. Более высокая скорость проникновения тепла в глубины океана замедляет потепление, наблюдаемое на поверхности и в атмосфере, но само по себе не оказывает существенного влияния на долгосрочное потепление, вызываемое данным количеством CO2. Например, недавно проведённые исследования говорят о том, что некоторое количество тепла уходит из океана в атмосферу при тёплых Эль-Ниньо и, напротив, из атмосферы в глубины океана при прохладных Ла-Нинья. Такие изменения многократно происходят с периодом длиной в десятилетие и больше. Примером является крупное Эль-Ниньо 1997 — 1998 годов. Тогда из-за того, что океан отдавал тепло атмосфере, главным образом в процессе испарения, глобальная средняя температура воздуха взлетела до самого высокого в ХХ веке уровня.
Недавние исследования отметили и ряд других охлаждающих факторов весьма скромного масштаба, действовавших в течение последних десяти лет или около того. К ним относятся относительно спокойный период солнечной активности и зафиксированное в ходе измерений увеличение в атмосфере количества аэрозолей (отражающих частиц) из-за кумулятивного эффекта, произведённого небольшими извержениями вулканов, которые следовали одно за другим. По-видимому, причиной недавнего замедления потепления приземного слоя воздуха является сочетание этих факторов — взаимодействия между океаном и атмосферой, а также воздействия со стороны Солнца и аэрозолей.
Несмотря на наблюдаемое в течение десятилетия замедление роста средней температуры приземного слоя воздуха, долгосрочная тенденция к потеплению всё ещё очевидна (см. Рис. 4). Каждое из трёх последних десятилетий было теплее, чем любое другое десятилетие, начиная с 50-х годов XIX века, то есть с того времени, когда стали широко использоваться измерения температуры с помощью термометров. Рекордные волны тепла прокатились по Австралии (январь 2013 года), США (июль 2012 года), России (лето 2010 года) и Европе (лето 2003 года). Кроме того, эффекты непрекращающегося потепления климата проявляются в тенденциях роста теплосодержания океана и уровня моря, а также в продолжающемся таянии арктического морского льда, ледников и Гренландского ледяного щита.
Продолжение следует.
