Формула максимального глобального потепления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формула максимального глобального потепления

В.В. Тетельмин

Аннотация

Выполнены расчеты динамики глобального потепления с учетом сокращения выбросов парниковых газов в соответствии с рекомендациями Парижского соглашения. На основании анализа термодинамических параметров климатической системы в последний ледниковый и доиндустриальный периоды истории Земли получены функции зависимости максимальной температуры глобального потепления от массы и объемной концентрации парниковых газов в атмосфере. Определена масса парникового насыщения атмосферы антропогенными парниковыми газами и соответствующая максимальная температура глобального потепления. При неограниченной эмиссии трех основных парниковых газов максимальная температура, которую они могут обеспечить, равна 9,2 °С. При снижении к 2060 г. ежегодных глобальных выбросов в два раза глобальное потепление будет продолжаться примерно до 2110 г. с увеличением глобальной температуры до 3,1 °С.

Ключевые слова: парниковые газы, ледниковый период, солнечная постоянная, масса насыщения атмосферы, максимальная температура, глобальное потепление

Maximum global warming potential formula

Vladimir V. Tetelmin

The calculations of the global warming dynamics were made taking into account the reduction of greenhouse gas emissions according to the recommendations of the Paris Agreement. Based on the analysis of thermodynamic parameters of the climatic system during the last glacial and pre-industrial periods of the Earth's history, the functions of the maximum global warming temperature dependence on the mass and volume concentration of greenhouse gases in the atmosphere were obtained. The mass of greenhouse saturation of the atmosphere by anthropogenic greenhouse gases and the corresponding maximum global warming temperature have been determined. With unrestricted emission of the three major greenhouse gases, the maximum temperature they can provide is 9.2 °С. With annual global emission reduction by 2060, global warming will continue until about 2108 with a global temperature increase up to 3.1 °С.

Keywords: greenhouse gases, glacial era, solar constant, atmospheric saturation mass, maximum temperature, global warming

Введение

В последние десятилетия обнаружилось, что человек, в погоне за производством возрастающего количества энергии, опасно нагревает все земное пространство. Тысячи дымовых труб и выхлопы миллиарда автомобилей расшатывают климатическую систему Земли. Современные годовые выбросы мировой экономикой основных парниковых газов следующие: СО 2 около 40 млрд т; СН 4 330 млн т, N2O 8,2 млн т. Гипертрофированная зависимость мировой энергетики от ископаемого топлива привела к выбросу в атмосферу более 2 трлн т основного парникового газа СО 2, из которых около половины усваивается мировой растительностью и Мировым океаном, а вторая половина антропогенных выбросов аккумулируется атмосферой.

За последние полтора века глобальная температура увеличилась почти на 1,2 °С. Такого темпа роста земной температуры не наблюдалось никогда. Климатологи всего мира пришли к заключению, что наблюдаемое необратимое "широкомасштабное, быстрое и усиливающееся изменение климата" - это следствие роста антропогенных парниковых газов в атмосфере [2].

На рис. 1 приводится рассчитанный график изменения содержания парниковых газов (ИГ) в атмосфере с начала ХХ в. с учетом сокращения глобальных выбросов в соответствии с рекомендациями Парижского соглашения и принимая во внимание период существования СО 2 в атмосфере продолжительностью до 120 лет. Здесь и далее массовое и объемное содержание ИГ в атмосфере приводится к эквиваленту диоксида углерода (t-eq и pp^m-eq⁾.

Рис. 1. Содержание антропогенных парниковых газов в атмосфере с учетом сокращения глобальных выбросов в соответствии с рекомендациями Парижского соглашения и с учетом продолжительности существования СО ₂ в атмосфере до 120 лет

В [1] приводится аналитико-эмпирическое решение задачи по определению темпа глобального потепления как функции содержания в атмосфере массы антропогенных парниковых газов (ИГ). В основу вывода "формулы глобального потепления" положен график реального роста аккумулированной климатической системой (КС) тепловой энергии за период 1970-2010 гг., который косвенно учитывает все особенности переноса и передачи тепловой энергии парниковых газов климатической системе Земли [3; 4]. За период c 1970 по 2010 г. климатическая система (КС) Земли аккумулировала 2,7*10²³ Дж (75Н 0¹⁵ кВт-ч) тепловой энергии антропогенных парниковых газов, из которой примерно 94 % приходится на Мировой океан, 4,5 % - на сушу и 1,5 % - на атмосферу.

В основу предложенного решения положено следующее выражение, позволяющее определять повышение температуры атмосферы за любой 10-летний период времени [2; 5]:

АТ = 16,5 х 10^-14 х Мі, (1)

где АТ, - повышение температуры атмосферы, град./10 лет; Мі - среднее значение массы ПГ в атмосфере в расчетном периоде в эквиваленте диоксида углерода, t-eq.

Расчеты выполняются с использованием метода последовательной смены стационарных состояний с шагом по времени в 10 лет. Повышение глобальной температуры за несколько расчетных периодов і определяется суммированием:

Т, = X АТ,. (2)

В табл. 1 приводятся результаты расчета глобального потепления с 1950 по 2120 г. при изменении содержания ПГ в атмосфере в соответствии с графиком рис. 1. Результаты расчетов практически совпадают с известными натурными и расчетными данными глобального потепления, что позволяет сделать вывод о пригодности предлагаемой формулы. При сокращении к 2060 г. ежегодных глобальных выбросов СО 2 наполовину планета Земля продолжит нагреваться, и к 2100 г. средняя глобальная температура на планете повысится до 2,92 °С.

При климатическом прогнозировании важно знать предельное значение температуры Tmax, к которой стремится глобальное потепление и которое могут обеспечить антропогенные выбросы ПГ. Сила воздействия единицы массы ПГ на глобальное потепление зависит от их концентрации в атмосфере. По мере насыщения атмосферы ПГ радиационная эффективность единицы их содержания в атмосфере снижается

Таблица 1

Накопленные с нарастающим итогом показатели содержания антропогенных парниковых газов в атмосфере, парниковой тепловой энергии в климатической системе Земли и доля N парникового тепла в атмосфере от общего количества накопленного в КС парникового тепла

Например, поступление дополнительной массы диоксида углерода в атмосферу будет поглощать только ту часть длинного ИК-излучения, которая не была абсорбирована уже присутствующим в атмосфере газом. Добавление новых порций СО 2 оказывает меньшее воздействие на потепление, потому что им приходится конкурировать с ранее поступившим в атмосферу газом за излучение в диапазонах длин волн 4-4,4 и 14-19 мкм. По этой причине удвоение содержания СО 2 в атмосфере не увеличит вдвое поглощение ИК-излучения.

Для нахождения предельной температуры потепления Tmax нужно знать функцию зависимости потенциала нагревания атмосферы от содержания парниковых газов, например от их объемной концентрации в атмосфере Пк = fK) град./ppm-eq. Для определения потенциала глобального потепления антропогенных парниковых газов строятся математические модели, которые учитывают соотношение между физическими, химическими и биологическими свойствами климатической системы Земли, а также динамические процессы атмосферной и океанической циркуляции. Полученные решения дают большой разброс результатов. Например, из приведенных в [6] результатов расчетов семи климатических сценариев следует, что при концентрации антропогенных ПГ на уровне 550 ppm-eq оценка соответствующей глобальной температуры Tmax составляет от 2 до 4,5 °С, а при K = 800 ppm-eq разброс еще больше: от 3 до 7 °С. Подобную точность нельзя признать удовлетворительной.

Более точные прогнозы максимальной равновесной температуры для каждого значения концентрации ПГ в атмосфере можно получить, используя известные данные о палеоклимате. Функции зависимости предельного значения "нагревательного потенциала" единицы массы Пм или единицы объемной концентрации Пк от содержащихся в атмосфере ПГ можно получить, используя свойство тесной корреляции между глобальной квазистаци- онарной температурой и концентрацией ПГ в палеоатмосфере Земли [7; 8].

Если представить, что искомая функция Пк = f(K) град./ppm-eq является линейной, то достаточно получить две экспериментальные точки этой прямой. Примерное постоянство содержания ПГ в атмосфере на протяжении последних 8 тыс. лет современного межледникового периода обеспечивало квазистационарное состояние климатической системы Земли. Эта особенность позволяет получить первую искомую точку графика линейной функции Пк = fK) град./ppm-eq.

В доиндустриальный период средняя концентрация каждого из трех основных ПГ в атмосфере составляла: СО 2 - 280 ppm, СН 4 - 0,7 ppm, N2O - 0,27 ppm. В переводе на единицы, эквивалентные потенциалу глобального потепления диоксида углерода GWP, общая доиндустриальная объемная концентрация этих ПГ составляла 370 ppm-eq, а их массовое содержание в атмосфере 2,86*10¹² t-eq. Известно, что в доиндустриальном периоде доля основных ПГ (СО 2, СН 4 и N2O) в общем парниковом эффекте на Земле равнялась 9,4 из 33,4 °С [9]. Отсюда находим свойственный для этого периода потенциал нагревания содержащихся в атмосфере ПГ в единицах объемной концентрации: Пк = 9,4 °С / 370 ppm-eq = 25,4*10^-3 град./ppm-eq, а также в единицах массы: Пм = 3,29*10^-12 t-eq.

Рис. 2. Ход изменения глобальной температуры и концентрации диоксида углерода за последние 160 тыс. лет [10]

Вторую искомую точку графика линейной функции Пк = f(K) можно найти, анализируя ход изменения глобальной температуры и концентрации ПГ в последний ледниковый период (рис. 2). В эту пору температура изменялась в диапазоне 5,8-16,4 °С, концентрация СО 2 в диапазоне 190-290 ppm, СН 4 в диапазоне 0,35-0,70 ppm, N2O в диапазоне 0,20-0,27 ppm. При этом независимо от того, что было первичным - изменение температуры, вслед за которым изменялась концентрация ПГ в атмосфере, или наоборот, осредненные значения этих величин в последний ледниковый период изменялись согласованно. Примерно 18 тыс. лет назад началось глобальное потепление на 10 °С, продолжавшееся около 11 тыс. лет. При этом темп естественного нагревания атмосферы происходил примерно в 20 раз медленнее современного наблюдаемого глобального потепления.

Изменение глобальной температуры на Земле в первую очередь происходит за счет изменения солнечной постоянной S, которая в настоящее время равна 1368 Вт/м ². Из трех известных циклов Миланковича [7; 8] ледниковые периоды обеспечиваются только одним - изменением эксцентриситета 8 = c/a эллиптической орбиты Земли. В приведенном отношении с - половина фокусного расстояния, a - большая полуось эллиптической орбиты. В последний ледниковый период произошла существенная корректировка орбиты Земли гравитационным воздействием планет Солнечной системы, которая изменила эксцентриситет орбиты от значения 0,042 в период 100 тыс. лет назад до 0,017 в период 20 тыс. лет назад.

В табл. 2 приводятся данные о современных параметрах орбиты и климатической системы Земли при 8 = 0,017, а также рассчитанные параметры орбиты и соответствующие термодинамические показатели состояния в начальной стадии ледникового периода (100-70 тыс. лет назад), когда орбита была наиболее вытянутой при 8 = 0,042. Расчеты выполнены с использованием закона Стефана - Больцмана для излучающего абсолютно черного тела [11-13].

Таблица 2

Некоторые параметры эллиптической орбиты Земли и соответствующие термодинамические параметры климатической системы