Прогноз региональных короткопериодных аномалий климата | Вестн. Том. гос. ун-та. 2011. № 350.

Прогноз региональных короткопериодных аномалий климата

Загрязнение нефтью поверхности Атлантики обусловило перегрев воздуха вследствие уменьшения испарения воды и последующее охлаждение морской воды и Гольфстрима. Обсуждены возможные последствия короткопериодных климатических аномалий техногенного происхождения на ближайшие несколько лет: повторение сценария жаркого лета в Центральной России и аномальных наводнений и паводков в западной Европе; понижение среднезимних температур в Скандинавии; появление зимой ледяного покрова в обычно не замерзающих морях западного сектора Ледовитого океана. Представлен прогноз последствий возникновения вероятных климатических аномалий техногенного происхождения в регионах Каспия как результат высоких рисков масштабного разлива нефти по поверхности моря.

Forecasting regional short-period climate anomalies.pdf Климатические последствия разлива нефти вМексиканском заливе. В данной статье мы приведемфизическую интерпретацию полученных модельных ре-зультатов [1]. Как следует из модели, зона аномальногопрогрева воздуха над загрязненной поверхностью мор-ской воды (и зарождения антициклонов) не только актив-но расширялась, но и продвигалась на восток вместе сГольфстримом. Это обеспечило формирование над об-ширной поверхностью океана обезвоженных конвектив-ных потоков - воздушных атмосферных течений.Гольфстрим - это источник огромного количества вла-ги (за счет испарения) и тепла для атмосферы. В зоне егодействия можно выделить так называемые энергоактивныезоны океана, в которых суммарное выделение тепла в ат-мосферу на порядок превышает среднеширотные оценки.Еще в советские годы академик Г. Марчук сформулировалконцепцию, согласно которой именно эти зоны играютключевую роль в проблеме долгосрочного прогноза пого-ды и короткопериодных колебаниях климата.На рис. 1 показана схема глобального перераспре-деления тепловых потоков в атмосфере и океане какрезультат масштабного техногенного загрязнения по-верхности морской воды нефтью.Основной вклад в нагрев океана дает солнечный поток(светлые стрелки), до 95% которого поглощается (на-правленная вниз сужающаяся стрелка, слева на рис. 1) вусловиях слабого рассеяния в толще чистой морской во-ды до глубины 60-80 см с малым поверхностным отра-жением до 10%. Процессы конвективного (серые стрелки)и терморадиационного в длинноволновом диапазоне(черные стрелки) теплообмена в течение суток или подог-ревают океан, или его выхолаживают, что вызывает изме-нение температуры поверхности. Вклад терморадиации иконвекции в зависимости от времени суток и температу-ры океана и атмосферы может изменяться в пределах до ±30%. Происходит существенный рост рассеяния и погло-щения солнечного излучения под поверхностью загряз-ненной морской воды (черные капли нефти у границыраздела океан - атмосфера). Это обусловливает увеличе-ние как отраженного (поверхностью и объемом воднойтолщи) солнечного потока (до 30%, направленная вверхсветлая стрелка, справа на рис. 1), так и поглощенного (до35% в загрязненной подповерхностной области) потоковсолнечного излучения.Однако вглубь океана распространяется не более60% солнечного потока, вследствие чего прогрев мор-ской воды на глубине значительно уменьшается. Такимобразом, появление нефтяного загрязнения на поверх-ности океана приводит к кардинальной перестройкетеплового режима системы океан - атмосфера:- имеет место дневное экранирование солнечногопрогрева морской воды по глубине и значительныйпрогрев ее поверхностного слоя при интенсивном тер-морадиационном и конвективном выхолаживании(особенно в ночные часы), усиливающемся в штормо-вую погоду;Рис. 1. Тепловой баланс и распределение температуры у границыраздела атмосферы с чистым и загрязненным нефтью океаном- рост температуры по глубине морской воды с за-грязненной поверхностью уменьшается, что приводит кформированию более холодной водной толщи в океане;- интенсивность испарения воды с загрязненнойповерхности существенно снижается, резко возрастаятолько при сильном волнении моря;- имеет место дополнительный нагрев атмосферы засчет увеличенного отражения коротковолновой сол-нечной радиации от загрязненной и перегретой воды, атакже роста интенсивности терморадиационных и кон-вективных потоков.За последние 10-20 лет оценки водно-теплового ба-ланса отдельных участков мирового океана и суши по-казывают, что катастрофические потери или сущест-венный избыток среднемесячных осадков не согласу-ются с традиционными моделями колебаний климата ипогодных условий как результатами действия извест-ных циклонов или антициклонов. На эти несоответст-вия еще указывал известный ученый А.С. Монин: рас-шифровка данных об изменениях климата во все воз-растающей мере требует использования физическихметодов [2]. Существуют различные интерпретацииформирования температурного режима океана, новлияние на него оптических свойств среды часто трак-туется некорректно. При разливах нефти, когда ее кон-центрация уменьшается примерно в 1 000 раз и пред-ставляет собой водную эмульсию (взвесь капелек неф-ти размером не менее микрона), в слое загрязненнойводы происходит объемное рассеяние и поглощениесолнечной энергии и глубинные слои воды перестаютпрогреваться в прежнем естественном режиме. Здесьмогут реализоваться два сценария циркуляции конвек-тивных воздушных потоков: с дефицитом или избыт-ком влаги, что обусловит либо продолжительную засу-ху на пространстве распространения обезвоженныхвоздушных масс, либо, в случае возникновения цикло-на, - усиление его энергии и подпитку водной массой.В первом случае перегретые пограничные слои океана(приповерхностный воздушный и поверхностный вод-ный) могут быть причиной формирования в атмосфереспецифических аномальных перегретых конвективныхпотоков, что, в свою очередь, способствует поддержаниюочага тепла в средней и верхней тропосфере (термодина-мические условия зарождения антициклонов). При этомотрицательный водный баланс на морских акваторияхможет вызываться заторможенным механизмом испаре-ния воды океана или внутренних морей (что актуальнодля России), поверхность которых загрязнена на боль-шой площади теплоизолирующей эмульсией или тон-кой пленкой нефтепродуктов.Во втором случае перегретый слой воды в результа-те теплообмена с атмосферой постепенно охлаждаетсяи при зарождении ураганов отдает им свою массу, чтосущественно усиливает их мощность. Происходит ин-тенсивная диссипация (рассеяние, сброс) энергии пере-гретой воды с поверхности океана с помощью урага-нов, набирающих силу над данной акваторией, которыеувеличивают свою кинетическую энергию и уносятгромадную массу воды из атмосферы - в частности, изАтлантики на американский континент. Усиление ура-ганов по частоте и энергии сопровождается сбросамииз атмосферы значительного объема водной массы,которая в обычных условиях достается другим регио-нам суши в виде циклонов.Иными словами, нарушение естественного тепло- имассообмена на поверхности океана привело к тому,что вместо циклонов над Мексиканским заливом стализарождаться частые множественные ураганы и торна-до, а над северной Атлантикой - еще и обширные попростиранию антициклоны. Приход антициклонов наравнинные территории суши Европы способствовалустановлению там аномально жаркой погоды - антици-клональной устойчивой во времени и пространствезоны с высоким атмосферным давлением, препятст-вующим продвижению циклонов из северной частиАтлантики и Ледовитого океана. Именно здесь наблю-дались (в том числе и в России летом 2010 г.) жаркаяпогода и летняя засуха.В свою очередь, «запертые» циклоны из севернойАтлантики и Ледовитого океана за короткое время об-рушили все запасы своей влаги на ограниченную пло-щадь от Западной Европы до Среднего Востока, вызвавтам разрушительные наводнения.Все атмосферные процессы обладают небольшимирамками статистической устойчивости: достаточноотносительно небольшого возмущения, чтобы про-изошло радикальное изменение процесса по энергети-ке, направленности и масштабам. Длительный нагреввоздушных масс над загрязненной поверхностьюбольшой площади, вместе с дефицитом воды в атмо-сфере, мог явиться причиной стационирования волнРоссби над восточной Европой и обусловить климати-ческую аномалию со сценарием аномально жаркоголета. Нефтяное загрязнение едва ли покрывает 10%поверхности Атлантики, однако вызванного ею энерге-тического дисбаланса вполне хватило, чтобы иниции-ровать масштабную аномалию климата (это своего ро-да точка бифуркации).Приведенные модели позволяют осуществлять рас-четно-теоретическую оценку характеристик водно-теплового баланса на границе раздела вода - атмосферапри образовании загрязнения в приповерхностном слоеводной акватории для различных климатических ре-гионов. Теперь стало возможным: а) получение коли-чественных и качественных выводов о степени влияниятехногенных факторов загрязнения мирового океана ивнутренних морей России на тепловые потоки и вод-ный баланс различных участков ее суши; б) проведениеанализа воздействия техногенных изменений на регио-нальном уровне для оценки вероятности возможныхсценариев климатических изменений. Полученная та-ким образом расчетная информация может являтьсябазой для прогнозов экономических последствий кли-матических аномалий техногенного происхождения.Эхо разлива нефти в Мексиканском заливе. Те-перь заглянем в недалекое будущее последствий оттехногенных климатических аномалий, обусловленныхразливами нефти на поверхности акваторий. Не следуетполагать, что последствия разлива нефти в Мексикан-ском заливе уже исчерпаны; существуют факторы, спо-собствующие продлению этой техногенной аномалии.Во-первых, океанологи и гидрологи обнаружилипод поверхностью океана в Атлантике скопления «об-лаков» нефти размерами около 16 км длиной, 5 км ши-риной и 100 м толщиной; объем нефти в них можетдостигать сотен тысяч м3. По данным экологов замече-ны еще более объемные подводные нефтяные «обла-ка». Эта подвешенная в воде суспензия является источ-ником подпитки нефтяной пленки (взвеси) на поверх-ности, а значит, и ее последующего распространенияпо поверхности Атлантики, чему также способствует иГольфстрим. Более того, реальна угроза ее переноса и кскандинавскому побережью. В ближайшие годы следу-ет ожидать как распространения нефтяного загрязне-ния на побережье Атлантики, так и продолжения сце-нария аномально жаркого лета в центральных областяхЕвропы - может быть, с переносом области аномалии кскандинавским странам. Уже сейчас фиксируется по-вышение средних годовых температур воздуха в Евро-пе; это можно трактовать как результат уменьшенияиспарения воды с поверхности Атлантики, загрязнен-ной нефтью. Разумеется, нефтяное загрязнение можетнесколько уменьшаться вследствие штормового воз-действия с выбросом некоторого объема нефти на по-бережье США и Европы, а также поедания микроорга-низмами. По худшему сценарию, из-за переноса боль-ших водных масс Гольфстримом, нефтяная пленка мо-жет покрыть большую часть Северной Атлантики.Во-вторых, прогретый слой морской воды с загряз-ненной поверхностью является коллектором соли: онаускоренно диффундирует в зону повышенных темпера-тур вследствие повышения ее растворимости там. Этотфакт был давно зафиксирован наблюдениями - в океа-не существуют «ленты» и зоны с повышенными соле-ностью и температурой, которые подолгу не смешива-ются с окружающей морской водой. Поскольку тепло-емкость морской воды возрастает с увеличением тем-пературы, то эта вода представляет собой долго живу-щий локальный источник тепла, подпитывающий какпроцесс прогрева атмосферы, так и образование урага-нов на поверхности океана. Сейчас этот аккумулятортепла распространяется по Атлантике вместе с течени-ем Гольфстрим, несущим на себе еще и покрываловодно-нефтяной эмульсии.В свою очередь, перегрев верхнего слоя морскойводы под нефтяной пленкой ведет к интенсивному от-току тепла из воды в атмосферу, вследствие чего про-исходит охлаждение нижележащей водной толщиокеана. Охлаждение океана приведет уже в ближайшеевремя к значительному уменьшению испарения воды вАтлантике. В обычных условиях эта цифра составляетоколо 120 тыс км3/год; теперь, судя по приближеннымоценкам, она может существенно понизиться. С высо-кой степенью вероятности это может повлечь за собойдефицит осадков и недобор влаги в почве в восточнойЕвропе. Уже сейчас наблюдается катастрофическоеобмеление рек России, даже Волги. При уже образо-вавшемся летнем дефиците влаги в почве это можетпривести к повышению среднелетних температур воз-духа и засухам в будущие летние периоды, а также кмалоснежным и суровым зимам на обширных террито-риях Европы.Дефицит тепла в глубине океана вдоль Гольфстри-ма может привести к понижению его температуры.В обычных условиях Гольфстрим, как и океан, прогре-вается почти равномерно до 100-метровой глубины, иприносимый им огромный объем нагретой воды в се-верную Атлантику и западный сектор Ледовитогоокеана формирует там относительно мягкий климат.Охлаждение Гольфстрима чревато уже в ближайшембудущем понижением среднезимних температур воз-духа в странах западной Европы и Скандинавии.Вследствие этого можно прогнозировать в Европе ано-мально суровые последующие зимы. Следует ожидать,что в течение нескольких лет зимы будут значительнохолоднее и малоснежными; это может обусловить по-явление ледового покрова в обычно не замерзающихНорвежском и Баренцевом морях. Уже прошедшейзимой впервые за сто лет замерз Кольский залив, а вАнглии зима была суровой и затяжной. Сейчас Гольф-стрим на грани исчезновения [3], что зафиксированокосмическими наблюдениями; чем это чревато дляглобального изменения климата сначала в Северномполушарии, а затем и на Земле уже в ближайшее деся-тилетие, пока трудно оценить.Потенциальные источники близкой опасности.Особый интерес представляет прогнозирование техно-генных климатических аномалий и их последствий вдругих регионах при сценарии загрязнения водной по-верхности нефтью, аналогичном тому, что произошло вАтлантике. В настоящее время можно вполне увереннопредположить, что наиболее уязвимым регионом длятехногенных изменений на водной акватории сейчасявляется Каспий. На встрече в Баку 18 ноября 2010 г.лидеры пяти стран (Иран, Казахстан, Азербайджан,Россия, Туркменистан) подписали соглашение по ре-гиональному сотрудничеству с дальнейшей целью раз-дела сфер влияния и освоения Каспийского моря. Запа-сы нефти под дном Каспия оцениваются в десяткимиллиардов тонн, и в ближайшей перспективе следуетожидать интенсификации разработки этих нефтяныхместорождений.Подавляющее большинство ныне действующих тамнефтяных скважин, пробуренных в море, интенсивноэксплуатируется уже свыше 20 лет, и оборудованиеработает на пределе износа. Возможные чрезвычайныеситуации на близко стоящих нефтяных платформахбудут сопровождаться масштабными пожарами (быст-ро распространяющимися, поскольку нефть Каспияотносится к разряду легких и является легко воспламе-няемой) и разливами нефти (из-за высокого пластовогодавления). В результате за короткое время образуетсяустойчивое загрязнение в виде водно-эмульсионнойнефтяной взвеси с последующим его распространениемпо поверхности гигантской замкнутой акватории. Этотфактор будет определять существенное уменьшениеиспарения с поверхности Каспия со всеми тепловымиэффектами, описанными выше.Прогноз последствий климатической аномалии техно-генного происхождения схематически показан на рис. 2.Атмосферные осадки станут дефицитными в рай-онах Поволжья и Северного Кавказа, а также в житни-це России - на Кубани, при характерных северо-восточных ветрах в весенний период и с установлени-ем сухой жаркой погоды в летний период (зона с пра-вой штриховкой). Осадки в осенне-зимний период бу-дут поступать с юго-западными ветрами, и только отних будет зависеть накопление влаги в почве. Районы,расположенные к востоку от Каспийского моря, будутв меньшей мере подвержены осушающему эффектууказанных атмосферных фронтов, так как с севера, вотсутствие горных массивов, влажные воздушные мас-сы смогут частично компенсировать водный балансрегиона. Тем не менее деградация Арала ускорится.Рис. 2. Прогноз последствий климатической аномалиив прикаспийских регионах при катастрофическом разливе нефтиЮг и юго-восток Каспийского моря, ограниченныецепью высоких гор вплоть до Памира и Тянь-Шаня, непочувствуют осушающего эффекта устойчивого антици-клона от Каспия. Однако перманентная встреча теплыхантициклонов с холодными воздушными потоками высо-когорья будет генерировать в этой области частые разру-шительные природные явления - ураганы и торнадо, на-воднения и оползни (зона с левой штриховкой). На рав-нинной области северо-запада Ирана следует ожидатьчередования жаркой погоды и ураганов с кратковремен-ными разрушительными паводками; в северной его об-ласти будут преобладать ураганные явления с паводками.В близлежащих горных областях Кавказа климати-ческая аномалия может вызвать интенсификацию су-ществующих природных процессов: ускоренное таяниеледников и их катастрофические подвижки, исчезнове-ние снежников, интенсивные сходы селевых потоков.Замкнутость акватории Каспия будет способство-вать длительному сохранению нефтяного загрязненияна его поверхности. Можно предполагать, что возмож-ная аномалия климата техногенного происхождения вэтом регионе сохранится на некоторый период време-ни - как минимум на несколько лет. Это означает, что внедалеком будущем экономикам стран, окружающихКаспий, может быть нанесен значительный ущерб.Глобальные природные процессы обладают несрав-ненно большей энергией по сравнению с технологиче-скими возможностями человека. Однако сегодня человекможет вызвать масштабные изменения в граничных усло-виях и тем самым круто изменить характер и направлен-ность этих процессов. Пример тому - ноосфера Китая.Техногенные аномалии климата не только понижаютустойчивость ЭЭС, но и способствуют их «дрейфу» кточкам бифуркации [4]; поэтому в стратегическое плани-рование следует включить прогноз таких возможныханомалий посредством моделирования, оценку их эконо-мических последствий и пути их превентивного ослабле-ния. Безусловно, это приведет как к необходимости кор-рекции существующих экономических стратегий, так и кревизии ряда стратегических прогнозов [5, 6].Природа, в терминах теории игр, не является пас-сивным партнером, как это полагал Джон фон Нейман;при возрастании техногенного давления она «вынуж-дена выбирать» такие оптимальные для себя стратегии,которые реализуются в виде аномалий и затрудняютжизнедеятельность и технологическую активность че-ловека, уметь прогнозировать глобальные и региональ-ные последствия взаимоотношений человека с окру-жающей средой и на этой основе строить будущуюэкономическую стратегию.

Ключевые слова

прогноз, техногенная климатическая аномалия, моделирование, экономика, риски, forecast, technogenic climatic anomaly, modelling, economics, risks

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Красс Максим СемёновичФинансовый университет при Правительстве Российской Федерации (г. Москва)доктор физико-математических наук, профессорvurga@mail.ru
Мерзликин Владимир ГавриловичМосковский государственный технический университет «МАМИ»кандидат технических наук, доцентmerzlikinv@mail.ru
Сидоров Олег ВалентиновичМосковский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгинакандидат физико-математических наук, доцентsid_ov@mail.ru
Всего: 3

Ссылки

Красс М.С., Мерзликин В.Г., Сидоров О.В. Моделирование техногенных причин короткопериодных аномалий климата // Вестник ТГУ. Сер. Науки о Земле. 2011. № 8.
Монин А.С. Климат как проблема физики // Успехи физических наук. 2000. Т. 70, № 4. С. 419-445.
Zangari G. Risk of Global Climate Change by BP Oil Spill. National Laboratories (LNF) - National Institute of Nuclear Physics (INFN). Italy, 2010. URL: http://www.associazionegeofisica. it/oilspill.pdf/
Красс М.С. Моделирование эколого-экономических систем. М. : ИНФРА-М, 2010. 272 с.
Стратегический прогноз изменений климата Российской Федерации на период до 2010-2015 гг. и их влияния на отрасли экономики России. М. : Росгидромет, 2006.
Красс М.С., Мерзликин В. Техногенные аномалии климата и стратегическое планирование // Экономические стратегии. 2011. № 4.
 Прогноз региональных короткопериодных аномалий климата | Вестн. Том. гос. ун-та. 2011. № 350.

Прогноз региональных короткопериодных аномалий климата | Вестн. Том. гос. ун-та. 2011. № 350.

Полнотекстовая версия