Внутритропическая зона конвергенции как локомотив современных изменений климата

С корреспондентом «Аргументы недели» на тему современного изменения климата побеседовал доктор географических наук, профессор, академик РАЕН, автор около 250 публикаций, в том числе 10 монографий и 7 учебников. Лауреат премии Правительства Санкт-Петербурга им. М.И. Будыко за выдающиеся достижения в науке и технике (2016), руководитель ведущей научно-педагогической школы Санкт-Петербурга «Взаимодействие океана и атмосферы и изменения климата», главный редактор научно-теоретического журнала «Гидрометеорология и экология» Валерий Николаевич Малинин.

- Валерий Николаевич, мы видим, что современный климат меняется и Ваше мнение о его причинах разительно отличается от мнения коллективного Запада, группы экспертов МГЭИК и ООН. В чём причина изменения?

- Причин много, но важнейшая – парниковый эффект (ПЭ). В этом расхождения с МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) нет. Но согласно МГЭИК, объединяющей по ее мнению всех ведущих ученых земного шара, доминирующей причиной современного глобального потепления являются антропогенные выбросы в атмосферу СО2 (IPCC, 2013). Вот с этим я не согласен категорически. Дело в том, что главный парниковый газ – водяной пар, вклад которого в ПЭ составляет примерно 75 %, а вклад СО2 – около 20 %. Но 20 % относится к суммарной концентрации СО2 за счет всех источников. Эмиссия СО2 из МО в атмосферу составляет 78 млрд т/год, из биосферы — 118 млрд т/год. Антропогенные выбросы СО2 равны примерно 9 млрд т/год. Даже без учета вулканических извержений антропогенный вклад в СО2 ПЭ оказывается равным всего 4,6 %. Отсюда легко получить экспертную оценку вклада антропогенного СО2 в суммарный ПЭ, которая составляет около 1 %.

Теперь по сути современных изменений климата. Их локомотивом является внутритропическая зона конвергенции (ВЗК). Попробую кратко объяснить. Вначале для лучшего понимания несколько слов о самой ВЗК. Она представляет собой зону схождения (конвергенции) пассатов северного и южного полушарий (рис.1).

Рис. 1. Расположение внутритропической зоны конвергенции зимой (в январе) и летом (в июле).

В среднем, ширина ВЗК составляет ±12о широты от экватора, но поскольку ВЗК смещена в северное полушарие, то ее центр принимается обычно на широте 6о N. ВЗК является важнейшей составной частью прямой циркуляционной меридиональной ячейки Хэдли (30° с.ш. — 30° ю.ш.), которая в низких широтах полностью определяет закономерности и изменчивость процессов взаимодействия океана и атмосферы. В ВЗК отмечается максимальный парниковый эффект, определяющий короткопериодные колебания климата, доминирующим фактором формирования которого служит атмосферный водяной пар. Наконец, в ВЗК отмечаются максимальные выбросы в атмосферу СО2 из океана, которые на порядок выше антропогенного СО2.

Но это еще не все. Для ВЗК свойственна резкая интенсификация атмосферного гидрологического цикла. С учетом площадей ВЗК и Мирового океана (МО), вклад испарения (Е) и осадков (Р) в ВЗК в среднюю «глобальную» оценку над МО составляет примерно 50 %. Теперь вспомним, что при образовании осадков выделяется тепло, которое идет на поддержание циркуляции атмосферы. Значит, примерно 50 % глобального тепла от образования осадков обеспечивает очень небольшая по размерам область ВЗК, которое затем переносится атмосферной циркуляцией во внетропические широты.

Отметим, что между характеристиками, осредненными для ВЗК и МО существует очень высокая корреляция. При этом максимальная корреляция отмечается для испарения (r = 0,97). Лишь немного меньше корреляция для осадков и влагосодержания (ВА). То есть компоненты влагообмена в пределах ВЗК почти полностью описывают межгодовую изменчивость их «глобальных» компонентов. Все это свидетельствует об исключительной роли ВЗК в формировании и изменчивости влагообмена между атмосферой и Мировым океаном. При этом линейные тренды в Р, Е и ВА в ВЗК намного выше, чем в других широтных зонах, а тренды в Р и Е в безразмерном виде во много раз выше трендов в температуре воздуха (ТА) и поверхности океана (ТПО). Безразмерный индекс тренда в осадках в зоне 0-10 N (26,6) в 10 раз выше аналогичного тренда в ТВ (2,1).

С учетом скрытой теплоты L тренд в осадках в единицах выделяемой энергии составляет 0,32 Вт/м2. Для современного глобального потепления (1980–2011 гг.) радиационный форсинг СО2 составляет около 0,75 Вт/м2 (IPCC, 2013). Отсюда следует, что тренд в осадках может оказывать значительное влияние на потепление атмосферы. Но поскольку эта оценка не имеет непосредственного антропогенного происхождения, то она в радиационном форсинге в зарубежных исследованиях не учитывается. Установлено, что формирование тренда в испарении и осадках начинается в ВЗК на 10 лет раньше, чем в ТА и ТПО. Кроме того, коэффициенты корреляции ТА с Е и Р являются незначимыми даже при наличии трендов. После исключения трендов корреляция ТПО с Е и Р также становится незначимой. Кроме того, межгодовая изменчивость, характеризуемая коэффициентом вариации, параметров влагообмена во много раз выше аналогичной изменчивости ТПО и ТА. Отсюда следует, что климатические (долговременные) изменения компонент влагообмена, обусловленные оценками трендов, а также их межгодовая изменчивость не связаны с аналогичной изменчивостью ТА и ТПО. Поэтому они не могут быть объяснены глобальным потеплением и, по сути, определяются процессами крупномасштабного взаимодействия в системе океан—атмосфера, причем их наибольшая изменчивость и прежде всего тренды отмечаются как раз в ВЗК.

- Извините, давайте конкретизируем некоторые моменты. Вопрос первый: почему в ВЗК отмечается максимальный парниковый эффект?

- Думаю,  читатели прекрасно знают, что такое парниковый эффект (ПЭ) и что он считается главным фактором современных изменений климата. Индикаторами ПЭ являются радиационные индексы Ga (atmosphere greenhouse effect parameter), который представляет собой разность между собственным длинноволновым излучением подстилающей поверхности и длинноволновым излучением на верхней границе атмосферы и Gs (downwelling long-wave radiation), означающий противоизлучение атмосферы (встречное излучение). Индекс Ga характеризует величину ПЭ всей атмосферы, а Gs — у подстилающей поверхности. Меридиональное распределение этих параметров подчиняется широтной зональности с максимальными значениями на экваторе, причём почти половина глобального ПЭ связана с Ga  и Gs над тропическими океанами. Понятно?  

- Да. Тогда второй вопрос: почему водяной пар оказывает доминирующее влияние на парниковый эффект в ВЗК?

- Как только что я сказал, основными характеристиками ПЭ являются радиационные индексы Ga  и Gs. В зарубежных исследованиях с помощью математического моделирования и использования натурных спутниковых  данных установлено, что влагосодержание атмосферы является доминирующим фактором формирования максимальных значений ПЭ при ясном небе в тропических широтах МО. При этом показано наличие сильных положительных трендов в ВА, Ga и Gs при ясном небе (отсутствии облачности) и отсутствие тренда в Ga и Gs при общей облачности. Выполненный в наших работах (Малинин, Вайновский, Гордеева) статистический анализ связи ВА с Ga и Gs вне зависимости от облачности показал наличие высокой корреляции в зонах 0-10 N и 0-10 S как в отдельных океанах, так и океанической области ВЗК  в целом. При этом связь ВА с Gs чуть выше, чем с Ga. 

- Вопрос третий: каковы причины формирования экстремального тренда в осадках в ВЗК? 

- Здесь все просто. Образование осадков севернее экватора  происходит не только за счет испарения в  своей зоне, но и за счет влаги в зоне 0-10 S, которая  переносится через экватор, поскольку ось ВЗК находится севернее экватора. Так, корреляция Е зоны 0—10  S с осадками зоны 0—10 N составляет r = 0,78. Если учесть, что в этой зоне отмечается максимальный тренд в испарении, то становится  понятным формирование экстремального тренда в осадках именно в зоне 0-10 N. Вследствие этого  тренд в осадках непосредственно в зоне 0-10 S становится в несколько раз меньше. Отметим, что значительная межгодовая изменчивость осадков в зоне 0-10 N помимо испарения Е(0-10 S) дополнительно вызвана мощной конвекцией, обусловленной ПЭ в толще атмосферы и характеризуемой  индексом Ga(0-10 N). Указанные параметры оказывают доминирующее влияние на межгодовую изменчивость осадков в ВЗК. Их вклад в дисперсию Р(0-10 N) составляет  87 %. Вклад этих же параметров в дисперсию осадков в зоне 0-10 S равен 69 %.

- Валерий Николаевич, в чем все-таки состоит суть вашей концепции современных изменений климата?

- Результаты подробного статистического анализа межгодовой изменчивости гидрометеорологических параметров в ВЗК позволили составить концептуальную схему их взаимосвязи, представленную на рисунке 2 (Малинин, Вайновский, Гордеева, 2023).  Все стрелки основаны на высокой значимой корреляции между этими параметрами. 

Рисунок 2. Концептуальная схема взаимосвязи межгодовой изменчивости гидрометеорологических параметров в системе океан-атмосфера (ВА – интегральное влагосодержание атмосферы, Р – осадки, Е – испарение, Р―Е – эффективные осадки, Ga – длинноволновый баланс атмосферы, Gs – противоизлучение атмосферы, ТА – температура воздуха в приводном слое океана, ТПО – температура поверхности океана, ΔТ – вертикальный градиент температуры в приводном слое океана).

На рисунке 2 нетрудно видеть два блока взаимодействия, которые связаны друг с другом. Центральный элемент в этой схеме ― ВА, которое является важным климатообразующим фактором. Оно одновременно влияет на формирование изменчивости Ga, на тренд и изменчивость Gs. Левый блок состоит из процессов влагообмена. В результате повышения (понижения) ВА происходит усиление (ослабление) индекса Ga. Вследствие этого повышается (понижается) температура тропосферы, усиливается (ослабляется) конвекция и возрастает (уменьшается) количество выпадающих осадков. Другое важное следствие процессов влагоообмена состоит в том, что на изменчивость разности Р―Е доминирующее влияние оказывают осадки. Поэтому тренд и изменчивость P – E в значительной степени влияют на формирование тренда и изменчивости ВА. Далее эта последовательность процессов в блоке процессов влагообмена будет повторяться.

Правый блок состоит из процессов теплообмена. Влияние ВА на индекс Gs является доминирующим. В результате парникового эффекта повышается ТПО и ТА. Вследствие положительной обратной связи происходит определенное влияние ТА на ВА, которое затем через ПЭ воздействует обратно на ТА. Итак, ТА и Р―Е примерно одинаково влияют на изменчивость ВА. Однако тренд в ВА формируется исключительно за счет процессов влагообмена, поскольку тренды в Р и Е в разы превышают тренд в ТА. Отметим также, что межгодовая изменчивость испарения в значительной степени, особенно в Северном полушарии, контролируются вертикальным градиентом температуры ΔТ в приводном слое атмосферы.
Особого внимания в рассматриваемой схеме заслуживают осадки в зоне ВЗК севернее экватора. Здесь они имеют максимальные значения, максимальные положительные тренды, а с учётом огромного количества тепла, выделяемого в атмосферу при конденсации водяного пара, именно осадки определяют интенсивность восходящей ветви ячейки Хэдли. Если ВЗК представляется локомотивом современного изменения климата, то осадки служат «топливом» меридиональной циркуляции атмосферы, причём их влияние не ограничивается ячейкой Хэдли, а распространяется и на ячейку Ферреля. При этом доминирующее влияние на осадки оказывают всего два параметра: ПЭ в тропосфере, определяемый по индексу Ga, и испарение в зоне 0–10° ю. ш.

Важное дополнение. Недавний анализ межгодовой изменчивости компонент тепло и влагообмена Атлантического океана с атмосферой в пределах 60о с.ш. ― 40о ю.ш. подтвердил, что в целом концептуальная схема на рисунке справедлива для других широтных зон. При этом в зонах Северного полушария корреляционные связи почти между всеми параметрами несколько выше, чем для южного.

- В вашей концепции центральная роль отводится влагосодержанию атмосферы. Однако, как известно, в зарубежных исследованиях влагосодержание  не признается климатообразующим фактором?

- Абсолютно верно! Именно так считает Межправительственная группа экспертов по изменению климата, которая за рубежом полностью определяет политику в области климатических исследований. Поскольку этот вопрос принципиальный, то рассмотрим его подробнее. Причина игнорирования водяного пара прозаическая. Он не имеет антропогенного происхождения и зависит в основном от естественных факторов, т.е. процессов влагообмена. Как я уже говорил, его вклад в ПЭ составляет примерно 75 %. Однако главная парадигма МГЭИК, состоит в том, что еще в Первом отчете в 1990 г. (IPCC, 1990) было принято: глобальное потепление – это, конечно же, результат СО2, являющегося парниковым газом. Тогда как объяснить, что водяной пар – это пятое колесо в телеге и не имеет никакого отношения к изменениям климата? Как сформулировать то, чего нет, но чтобы выглядело правдоподобно? Очень долго думали эксперты, однако все варианты выглядели неубедительными. И только в Четвёртом отчёте МГЭИК (IPCC…, 2007), наконец, была отчётливо обозначена причина, по которой водяной пар не учитывается как климатообразующий фактор. Главная причина состоит в том,  что «увеличение концентрации водяного пара является ключевым следствием, но не причиной процесса глобального потепления и, следовательно, полностью обусловлено положительной обратной связью между ними». Но поскольку естественный водяной пар игнорируется априори, то «следует учитывать только прямые выбросы водяного пара от антропогенной деятельности, которые дают пренебрежимо малый вклад в радиационный форсинг» (IPCC…, 2007).

Не кажется ли вам, что гора родила мышь? Это довольно примитивное объяснение от ведущих ученых земного шара в области климатологии, которое опровергается путем несложных рассуждений.

1. Итак, мы видим полное пренебрежение естественным водяным паром, который полностью определяется положительной обратной связью с температурой воздуха. Ключевое слово здесь – полностью. Это означает, что связь ВА с ТА должна быть практически функциональной. Понятно, что это абсурд, т.к. ВА образуется из испарившейся с поверхности океана воды, а не продукт ТА. Поэтому зна¬чительное влияние на изменчивость ВА оказывает разность Р―Е, корреляция ко¬торой с ВА наиболее велика в ВЗК (r = 0,60–0,80). Примерно такая же связь и с ТА, исключая муссонную область Индийского океана, где связь между ВА и ТА вообще носит случайный характер. При глобальном осреднении согласно уравнению водного баланса атмосферы изменения ВА определяются исключительно разностью глобальных величин испарения и осадков или, в первом приближении, разностью испарения и осадков над Мировым океаном.

2. Экспертами МГЭИК принима¬ется во внимание только одностороннее влияние ТА на ВА и не учитывается обратное влияние ВА на ТА, то есть положительной обратной связи нет в принципе! При росте ТА происходит некоторое повы¬шение влагоёмкости атмосферы и ВА начинает расти. С ростом ВА усиливается ПЭ за счёт повышения индекса Gs (корреляция между ВА и Gs почти во всех зонах МО выше 0,80) и, как результат, увеличивается ТА. В свою очередь рост ТА будет повышать ВА. Во взаимном влиянии друг на друга суть положительной обратной связи между ТА и ВА. Огромное влияние ВА на ТА было доказано нобелевским лауреатом Сюкуро Манабе ещё в 1970-е гг. и позже подтверждено им в 2019 г.: при увеличении кон¬центрации СО2 в два раза ТА без учёта водяного пара (для сухой атмосферы) повышается на 1,3 °С, а при его учёте — на 2,3 °С, т. е. её рост идёт почти в два раза быстрее! Однако в западных публикациях данный результат игнорируется.
Разумеется, нельзя полностью игнорировать роль СО2 с его 20-процентным вкладом в ПЭ. СО2 является своеобразным катализатором глобального потепления. Его рост — это фактор дополнительного усиления ПЭ и положительной обратной связи между ТА и ВА, не допускающий движения кли¬матической системы в сторону похолодания, которое последний раз отмечалось в 50–70-е гг. прошлого столетия.

3. Принципиально важно, что безразмерные тренды в ВА существенно выше трендов в ТА, причём переломные точки в трендах ВА и ТА отмечаются в разные годы. Это означает, что длительные тенденции в изменениях ВА обусловлены именно процессами влагообмена. Кроме того, максимальный тренд ТВ приурочен к северной полярной зоне, а ВА – к ВЗК. Парниковый эффект максимален именно в ВЗК, доминирующий вклад в формирование которого дает ВА.

4. В качестве основного аргумента в пользу того, что водяной пар является только ключевым следствием процесса глобального потепления, эксперты МГЭИК обычно ссылаются на уравнение Клаузиуса – Клапейрона (УКК), которое связывает насыщающую упругость водяного пара с ТА. Согласно УКК при повышении средней глобальной ТА на 1 °С насыщающая упругость водяного пара должна увеличиться на 6,5. Однако следует иметь в виду, что УКК — чисто термодинамическое уравнение и плохо отражает реальную турбулентную атмосферу. Кроме того, насыщающая упругость водяного пара — это не эквивалент ВА. Но даже в предположении одностороннего влияния ТА на ВА при повышении ТА на один градус ВА повышается на 8–10 %, что не соответствует УКК. В действительности, как указано выше, одностороннего влияния не может быть в принципе, оно только взаимное.

5. Вообще говоря от приведенных выше рассуждений можно обойтись, ибо вторая фраза все объясняет. Только антропогенная деятельность должна учитываться в изменениях климата, т.к. антропогенная ангажированность является лейтмотивом всей деятельности экспертов МГЭИК. Первая фраза – это не очень удачная попытка сохранить лицо для научного сообщества. Под прямыми выбросами водяного пара от антропогенной деятельности понимаются выхлопы метана из сопел самолетов в стратосфере, который в результате химических реакций образует водяной пар. Понятно, его радиационный форсинг пренебрежимо мал по сравнению с антропогенными выбросами СО2. Но даже здесь эксперты МГЭИК допустили прокол. Они не учитывают безвозвратное водопотребление (БВ), преобладающая доля (до 85−90%) которого обуславливает дополнительное испарение в атмосферу при орошении сельскохозяйственных земель в засушливых районах земного шара (Средняя Азия, Африка, Австралия, Северная Америка и т.д.). С середины 50-х годов отмечается его экспоненциальный рост. Тренд в БВ на порядок превосходит стратосферный водяной пар. Видимо, учитывать радиационный форсинг БВ экспертам МГЭИК невыгодно, т.к. он, как и тренд в осадках, будет занижать роль СО2.

6. Вывод. ВА представляет собой важный климатообразующий фактор, влияющий через ПЭ, с одной стороны, на температуру воздуха и температуру поверхности океана, а с другой — на осадки, причём их образование сопровождается выделением большого количества тепла, которое расходуется на поддержание атмосферной циркуляции и потепление атмосферы. Я вас убедил, что ВА – климатообразующий фактор?

- Да, более чем.

- Таким образом, можно уверенно утверждать, что локомотивом современных изменений климата служит внутритропическая зона конвергенции, в которой доминирующим фактором является влагосодержание атмосферы. При этом межгодовая изменчивость характеристик тепло- и влагообмена в системе океан-атмосфера в основном обусловлена внутренними процессами в климатической системе и мало зависит непосредственно от СО2.