Одной из основных целей Инновационной образовательной программы МФТИ «Наукоемкие технологии образования и экономика инноваций» является разработка новых наукоемких образовательных технологий, направленных на повышение эффективности учебного процесса при изучении сложных, междисциплинарных предметов. К ним, безусловно, относятся курсы лекций, семинаров и лабораторных работ, связанных с изучением наук о Земле и, в частности, разделов, посвященных проблеме формирования и изменчивости глобального и регионального энергетического баланса на планете Земля и, как следствие, климатических изменений. Дело в том, что соответствующий набор дисциплин включает, как фундаментальные разделы математики и физики, астрономии, механики сплошной среды, теории переноса излучения, так и специализированные курсы: физика атмосферы, палеоклиматология, дистанционное зондирование, физика Солнца и планет, информатика и др.

Темпы глобального потепления, наблюдающиеся за последние годы, заставили специалистов-климатологов пересмотреть прогнозы, сделанные в 2001 г. Новый доклад (2007), посвященный оценке текущего состояния земной климатической системы и прогнозированию ее изменений гласит, что в «нашу планету заложена климатическая бомба»: в недалекой перспективе эти изменения могут привести к разрушительным и необратимым последствиям: таянью ледников, в том числе на полярных шапках, увеличению площади пустынь, затоплению больших прибрежных территорий и пр. Все это, безусловно, скажется на глобальной и региональной экономике и жизни людей в целом.

Совершенствование инструментальных средств, в том числе связанных с использованием космических технологий, и постоянно возрастающий объем данных наблюдений, позволяет сегодня с большей достоверностью представить обобщенную картину потепления на земном шаре и других важных изменений в климатической системе. Ниже приводятся основанные на некоторые существенные и, с точки зрения научной общественности, не вызывающие сомнения факты, связанные с одной из важнейших проблем современности.

1. В течение ХХ столетия глобальная средняя приземная температура атмосферного воздуха повысилась примерно на 0,6 °С. На рис. 1а приведены за период 1880–2002 гг. (примерно с 1880 года начались более или менее регулярные инструментальные наблюдения температуры) ежегодные отклонения средней приземной температуры воздуха от «нормы». За «норму» принято значение глобальной температуры, рассчитанной путем осредненения по поверхности Земли огромного количества данных наблюдений, полученных за период с 1961 по 1990 годы на расположенных по всему миру стационарных наземных метеостанциях, научно-исследовательских судах, а также в результате спутниковых измерений поверхностной температуры. Вертикальные черные столбики указывают диапазон неопределенностей, связанных с «пробелами» в данных измерений, случайными ошибками, в том числе в показаниях приборов и пр. за соответствующий год с достоверностью в 95 %. Сплошная черная линия (тренд) соответствует данным, осредненным за каждое десятилетие, а «серые столбики» показывают отклонения от нормы за каждый год.

На рис. 1б на основе косвенных данных, полученных путем анализа годовых колец деревьев, кернов льда, исторических записей и пр., представлены результаты реконструкции (за период ~ 1000 лет) годовых (темно-серая область) и усредненных за 50 лет (сплошная черная линия) отклонений от «нормы» средней приземной температуры в северном полушарии. Диапазон неопределенности в 95 % в годовых данных отмечен светло-серым цветом. Естественно, что для более отдаленных исторических периодов эти неопределенности возрастают и существенно превышают разбросы, соответствующие измерениям температуры (черные кривые, начиная примерно с 1900 г.). Из представленных на рис. 1а и рис. 1б данных следует главный вывод о том, что за последние 140–150 лет, как и за период ~1000 лет, глобальная средняя приземная температура повысилась примерно на 0,6±0,2 °С. При этом темпы и продолжительность потепления в ХХ столетии были гораздо большими, чем в любом из предыдущих 9 столетий. Также можно утверждать, что 90-е годы XX века были самым теплыми за этот период, при этом наиболее теплыми годами за это десятилетие стали 1998, 2002, 2003, 2005, и 2006 годы. Наконец, научным сообществом признано, что 1998 г. был самым теплым годом за последнее тысячелетие.

2. Значения температуры в нижних 8 километрах атмосферы Земли за последние 4 десятилетия повысились. Приземный слой атмосферы (высоты ~ 0–8 км), так же, как и земная поверхность, играет существенную роль в земной климатической системе, так как именно эти оболочки планеты, в первую очередь, испытывают на себе влияние глобальных природных процессов, происходящих в системе Земля–атмосфера, а также существенных антропогенных факторов. Среди них: вулканические извержения, лесные пожары, проблема озонового слоя, парниковый эффект, взаимодействие океана и атмосферы, явление Эль-Ниньо и т.п. Поэтому количественным измерениям состояния приземного слоя атмосферы уделяется большое внимание. Начиная с 60-х годов прошлого века, стали проводиться более или менее регулярные измерения ключевых параметров состояния слоя с использованием метеорологических шаров-зондов, а с конца 70-х годов — систематические измерения температуры со спутников.

Рис.3 . Сравнение наблюденных изменений температуры поверхности региональных и глобального масштабов с результатами расчетов на основе климатических моделей

3. Уменьшаются площади криосферы (снежного покрова и льда).
Данные, полученные с помощью спутников, свидетельствуют о том, что за последние 25–30 лет площади территорий на поверхности Земли, постоянно покрытых снегом (льдами, в том числе и на арктических и антарктических морских акваториях), уменьшилась не менее чем на 10–15 %. Естественно, что эти изменения имеют разные темпы по сезонам. В частности, за последнее десятилетие толщина морского льда в Арктике в сезоны позднего лета и ранней осени уменьшилась не менее, чем на 40 %, в то время как толщина морского льда в зимний сезон уменьшалась гораздо медленнее.

Примерно аналогичная ситуация имеет место и на внутриконтинентальных объектах криосферы. Так, например, данные наземных измерений показывают, что на протяжении ХХ столетия в средних и высоких широтах северного полушария произошло сокращение примерно на 2 недели длительности сохранения (ежегодного) ледового покрова на озерах и реках. Также происходило повсеместное отступление горных ледников и в неполярных регионах.

4. Повышается глобальный средний уровень мирового океана и увеличивается их теплосодержание.
Данные, полученные с помощью мареографов, свидетельствуют о том, что в течение ХХ столетия глобальный средний уровень моря повысился на 0,1–0,2 м. В период с 50-х годов (начало регулярных наблюдений за температурой подповерхностного слоя океана) возросло глобальное теплосодержание океанов.

5. Произошли изменения и в других важных компонентах климатической системы.
На большинстве территорий в средних и высоких широтах северного полушария в течение ХХ столетия количество атмосферных осадков увеличивалось примерно на 0,5–1 % в десятилетие, а количество дождей над районами суши в тропиках (10°с.ш.–10°ю.ш.) увеличивалось примерно на 0,2–0,3 % в десятилетие. Необходимо подчеркнуть, что этот вывод относится к среднему по планете показателю. Для отдельных регионов, в частности, субтропиков (10° с.ш.–30° с.ш.) северного полушария, имело место уменьшение количества осадков примерно на 0,3 % в десятилетие. В южном полушарии в отличие от северного никаких сопоставимых систематических изменений в средних значениях количества осадков обнаружено не было. Также недостаточно данных для определения соответствующих трендов над океанами. Ученые считают, что увеличение числа явлений атмосферных осадков, объясняется рядом причин: изменениями влажности атмосферы, грозовой активностью, активностью крупномасштабных штормов. Вероятно также, что в течение ХХ столетия в умеренных широтах произошло увеличение примерно на 2 % облачного покрова над районами суши. В большинстве районов эти тренды хорошо соотносятся с наблюдаемым уменьшением диапазона суточной температуры. Как отмечено выше, в период с 1950 г. происходило уменьшение частоты возникновения экстремально низких температур при небольшом увеличении частоты возникновения экстремально высоких температур. Теплые эпизоды явления Эль-Ниньо, которое оказывает постоянное влияние на региональные колебания температуры и количество атмосферных осадков в большинстве районов в тропиках и субтропиках и в некоторых районах в средних широтах, стали более частыми, устойчивыми и интенсивными, начиная с середины 1970-х годов по сравнению с предыдущими 100 годами.

6. Выбросы в атмосферу парниковых газов и аэрозолей оказывают существенное влияние на климатическую систему.
Изменения в климатической системе происходят благодаря воздействию внутренних и внешних факторов как естественного, так и антропогенного характера. Влияние внешних факторов принято описывать с использованием концепции (положительного или отрицательного) радиационного воздействия (РВ). Принято считать, что положительное РВ, возникающее в результате увеличения концентраций «парниковых газов», способствует повышению глобальной среднепланетарной поверхностной температуры; в то же время отрицательное РВ, которое, например, может возникнуть из-за увеличения содержания в атмосфере некоторых аэрозолей (находящихся в воздухе микроскопических частиц), имеет тенденцию охлаждать поверхность.

Многочисленные исследования, результаты которых отражены в [14, 47], свидетельствуют о том, что концентрации «парниковых газов» в атмосфере и, соответственно их положительное РВ, продолжают возрастать. Так, например, установленным фактом можно считать, что суммарная концентрация СО2 в атмосфере за период, начиная примерно со второй половины XVIII века, возросла более чем на 30 %. Исследования показывают, что ни в последние 400 000 лет, ни, даже в последние 20 млн лет содержание СО2 в земной атмосфере не было столь высоким, как в настоящее время. Подобные темпы увеличения концентрации СО2 являются беспрецедентными, по меньшей мере, в последние 20 000 лет. Также имеет место существенное увеличение в атмосфере содержания и других «парниковых газов». Например, концентрация метана СН4 за последние 150–200лет увеличилась более чем на 150 %. Ученые считают, что за последние 400 000 лет такой высокой концентрации СН4, как сегодня, не наблюдалось. Следует отметить, что в 90-е годы XX века темп увеличения концентрации СН4 несколько замедлился и при этом стала наблюдаться большая изменчивость по сравнению с предыдущим периодом.

Содержание «парниковых газов» в атмосфере Земли связано со многими естественными и антропогенными факторами: например, процессы в верхнем слое океана и в растительном покрове суши связаны с поглощением СО2, в то время, как вулканическая, а в последние 100–150 лет и антропогенная деятельность приводят к увеличению концентрации «парниковых газов» в атмосфере. В частности, в течение последних 20 лет примерно 3/4 выбросов СО2 в атмосферу происходят из-за сжигания ископаемых видов топлива. Другим «рукотворным» источником поступления СО2 в атмосферу является уничтожение лесов за счет вырубок и пожаров. Наличие в атмосфере Земли «парниковых газов» приводит к тому, что большая часть уходящего от поверхности Земли излучения поглощается атмосферой и переизлучается на больших высотах при более низких температурах. В результате возникает положительное РВ, которое нагревает нижние слои атмосферы и поверхность Земли. При этом в космос уходит меньше тепла, что вызывает возрастающий «парниковый эффект». Этот феномен существовал в течение миллиардов лет из-за присутствия в атмосфере Земли основных «парниковых газов» естественного происхождения: водяного пара (H2O), двуокиси углерода СО2, озона O3, метана СН4, закиси азота N2O и других газов.

Находящиеся в атмосфере твердые или водные аэрозоли (микроскопические частицы природного или антропогенного происхождения) по-разному взаимодействуют с приходящим к земле солнечным излучением. Часть аэрозолей «отражают» это излучение, способствуя охлаждению климатической системы. В то же время некоторые аэрозоли обладают способностью поглощать солнечное излучение, что способствует обратному эффекту — повышению глобальной температуры атмосферы. Кроме того, изменчивость концентрации водных аэрозолей может изменять количество облаков и соответственно их отражательную способность. В большинстве случаев аэрозоли имеют тенденцию вызывать отрицательное РВ и способствовать охлаждению климата. Время жизни аэрозолей в атмосфере (~ сутки–неделя) существенно меньше, чем у большинства «парниковых газов» (~ десятилетия–столетия). Поэтому количество и структура аэрозолей в земной атмосфере гораздо быстрее реагируют на изменения, связанные с природными или антропогенными выбросами в атмосферу. Так, например, при вулканических извержениях в стратосферу попадают огромные количества серосодержащих газов (в основном SO2), которые преобразуясь далее в сульфатные аэрозоли, приводят к возникновению значительного отрицательного РВ, вызывающего охлаждение поверхности Земли и нижних слоев атмосферы на протяжении нескольких лет.

7. Некоторые важные аспекты климата, которые не претерпели изменений.
В отдельных районах земного шара в последние десятилетия потепление не наблюдалось; в основном это некоторые части океанов в южном полушарии и отдельные области Антарктики (см. анимацию в разделе «Радиационный баланс и глобальное потепление» части II). Это подтверждается данными, получаемыми со спутников: начиная с 1978 г. (начало надежных и регулярных измерений со спутников), никаких значительных трендов в протяженности морского льда в Антарктике выявлено не было. Кроме того, по крайней мере, в течение ХХ столетия не наблюдалось более или менее значимых трендов в интенсивности и частоте возникновения тропических и особенно внетропических штормов в глобальном масштабе. Также при анализах данных наблюдений по ограниченным районам не отмечено систематических изменений в частоте возникновения торнадо, грозовых дней, выпадений града и пр.

8. Основные факторы, вызывающие изменения в климатической системе.
Рассматривая климатическую систему (КС) Земли в целом, необходимо учитывать следующие два важных обстоятельства:

• комплексность КС со множеством нелинейных взаимодействий, что делает трудно предсказуемым описание свойств такой системы без адекватной модели;
• динамичность КС с набором различных характерных времен изменения ее состояния: в диапазоне от единиц секунд (быстропротекающие процессы в атмосфере) до миллионов лет (эволюция Солнца, внутренних процессов в толще Земли, смещения континентов и т.д.).

Оба фактора (нелинейность и динамичность КС) предопределяют наличие в этой системе существенного потенциала формировать значительный отклик даже на очень слабые воздействия на систему [20]. При этом величина этого отклика может сильно зависеть не только от амплитуды, но и от продолжительности воздействия. При этом потенциально более мощные эффекты относятся к более продолжительным или повторяющимся воздействиям.

В данном пособии основное внимание уделяется изучению следующих, по мнению авторов относящихся к наиболее существенным аспектам, изменений в земной КС:

• физика и изменчивость падающего на Землю потока солнечного излучения и его спектрального распределения;
• взаимодействие излучения с земной атмосферой и изменчивость радиационного баланса;
• влияние альбедо (облачное и снежное покрытие, растительность и т.д.) на радиационный баланс и климатическую систему в целом.

Следует подчеркнуть, что к важнейшим факторам, влияющим на состояние и изменчивость КС относятся также процессы и явления, происходящие внутри и между компонентами КС (например, океанические циркуляции, процессы в литосфере и пр.). Однако эти вопросы детально в учебном пособии не рассматриваются.

Земля поглощает излучение, поступающее от Солнца, главным образом своей поверхностью. За счет циркуляционных процессов в атмосфере и океане и взаимодействия между этими основными оболочками Земли эта энергия перераспределяется и переизлучается обратно в космос в виде длинноволнового (инфракрасного) излучения. Если рассматривать среднегодовые и осредненные по всей поверхности Земли значения, то энергия приходящего солнечного излучения примерно уравнивается уходящим земным излучением. Для описания этого важнейшего природного феномена используется общепринятый термин радиационный баланс Земли (Earth Radiation Budget). В реальных условиях имеет место постоянное нарушение этого баланса, которое вызывается различными факторами (некоторые из них в общем виде перечислены выше).

Учебное пособие состоит из 4-х частей и 2-х приложений. Основным принципам космического мониторинга РБЗ посвящена первая часть учебного пособия. Здесь рассматриваются физические основы РБЗ, а также описываются кратко проекты по исследованию РБЗ реализованные в конце XX века с активным участием России, так и современные проекты, реализуемые, в основном, в рамках международной программы Earth Observation System (EOS).

Известно, что энергетической вклад антропогенной деятельности составляет ~1 -6 от энергии излучения, поступающей от Солнца. Поэтому, несмотря на важность учета антропогенного фактора, для объяснения наблюдающегося глобального потепления климата, а также построения сценариев его эволюции, основное внимание уделяется изложению физических основ природных процессов, определяющих изменчивость РБЗ, которые представлены во второй части данного пособия.

Некоторые результаты исследований глобального радиационного баланса представлены в третьей части, где рассматриваются основные радиационные факторы изменения климата. Особое внимание уделено влиянию парниковых газов, водяного пара, облаков, осадков и аэрозолей на перенос излучения в атмосфере. Обсуждается также вопрос влияния изменений характеристик земной поверхности.

Четвертая часть представляет собой набор компьютерных упражнений (компьютерный практикум), иллюстрирующих основные теоретические положения, изложенные в предыдущих частях.