Контрольная работа: О возможности совместного решения проблем сохранения климата Арктики и понижения уровня загрязнения атмосферы в Норильске

Важными (хотя и спорадическими) источниками поступления соединений серы в стратосферу являются извержения вулканов взрывного типа. Наиболее изученными являются извержения вулканов Эль-Чичон (04.04.1982; координаты 17°с.ш., 94°з.д.) и Пинатубо (15.06.1991; координаты 15°с.ш., 120°в.д.). При извержении Эль-Чичон практически мгновенный выброс SO₂ на высоту до 30 км составил 10 Мт, а при извержении Пинатубо соответственно 34 км и 20 Мт SO₂ (Arfeuille et al., 2014). В модели в обоих случаях принимается равномерное распределение концентрации SO₂ по высоте от тропопаузы до верхней кромки газопепловой колонны.

Расчетные этапы

Полный цикл расчетов разбит на ряд отдельных этапов. Первый этап посвящен начальной оценке величины рассматриваемых климатических параметров. Количественное определение степени антропогенного потепления климата (глобального или регионального) требует принятия некоторой точки отсчета, удаленной во времени в прошлое. Обычно такую точку отсчета связывают с началом индустриального развития. В настоящей работе в качестве прединдустриальных значений рассчитываемых климатических параметров приняты средние величины за период с 1800 по 1850 годы. Значения средней глобальной температуры, температуры и площади ледового покрытия в Арктике оценены соответственно величинами (13.4±0.04)°C, (-10±0.16)°C, (8.5±0.1) млн. кв. км.

Сценарий второго этапа основан на предположении, что средняя глобальная концентрация основных парниковых газов в атмосфере (диоксид углерода, метан, закись азота) будет продолжать расти в соответствии с прогнозным сценарием RCP8.5 (Representative Concentration Pathways), принятым экспертами МГЭИК как наиболее неблагоприятный с точки зрения изменения климата (Moss et al., 2008). В качестве входной информации в модели задаются меняющиеся концентрации парниковых газов.

Второй этап не предполагает применения мер инженерии климата, однако учитывает климатический эффект от извержений вулканов Эль-Чичон и Пинатубо. Расчеты по второму этапу начинались с 1950 года и продолжались до 2052 года включительно.

На третьем этапе (как и на втором) концентрация основных парниковых газов в атмосфере изменяется в соответствии с прогнозным сценарием RCP8.5. Начиная с 2018 года, в расчет включается аэрозольный блок геоинженерного воздействия. Интенсивность инжекции SO₂ принимается меняющейся в течение года пропорционально продолжительности светового дня при сохранении среднегодовой величины равной 1.9 МтSO₂/год. Расчет на третьем этапе охватывает период с 2018 по 2052 год. Чтобы снизить влияние межгодовой изменчивости рассчитываемых климатических параметров, данные за первые 5 лет применения метода ССА (2018 - 2022) и за последние 5 лет (2048 - 2052) на третьем этапе усредняются.

Результаты расчетов

Выходными параметрами модельных расчетов являются среднегодовые температуры на уровне 2 м над подстилающей поверхностью всего Земного шара и отдельно для территории Арктики. Для оценки степени влияния применения ССА в Арктике на более низкие широты отдельно выделяются результаты только для Северного полушария. Наряду с температурой выходным параметром на всех трех этапах служит ПЛП в Арктике.

Этап 1. Результаты расчетов на этапе 1 за период с 1800 по 1850 годы показали, что величина среднегодовой приземной температуры на глобальном уровне в прединдустриальный период составляла (13.4±0.04)°С Это означает, что допустимый порог повышения глобальной температуры может составлять

Т°С_порог = (13.4±0.04)°C + 2°С = (15.4±0.04)°C.

Здесь 2°С - допустимый прирост средней глобальной температуры (EU Climate Change Expert Group, 2008) от прединдустриального значения. В Арктике согласно расчетам среднегодовая температура в прединдустриальный период составляла (-10±0.16)°С. Средняя за указанный прединдустриальный период среднегодовая величина ПЛП составляла (8.5±0,1) млн. кв. км. Оценка качества воспроизведения моделью современного климата была проведена ранее в работах (Володин, Дианский, 2006; Володин и др., 2010).

Этап 2. Результаты расчетов на этапе 2 (без применения геоинженерного метода при росте концентрации СО₂ по сценарию RCP8.5) представлены на рисунках 1, 2, и 3 синими кривыми. Рис. 1 демонстрирует неуклонный рост средней глобальной температуры от значения 13.9°С в 1951 году до 15.7°С к 2051 году. Рис. 2 показывает рост температуры в Арктике на 4.1 градуса (до -5.9°С) по отношению к температуре прединдустриального периода. Одновременное снижение ПЛП с 8.5 до 6.4 млн. кв. км. при росте концентрации СО₂ по сценарию RCP8.5 изображено на рис.3.

Рисунок 1. Рост средней приземной глобальной температуры при реализации сценария МГЭИК RCP8.5 в период с 1951 по 2052 гг.

Стрелками отмечены извержения вулканов Эль-Чичон (1982 г) и Пинатубо (1991 г).

Геоинженерное воздействие не применялось.

Рисунок 2. Рост средней приземной температуры в Арктике (синяя кривая) при реализации сценария МГЭИК RCP8.5 в период с 1951 по 2052 гг. без применения метода ССА.

Красная кривая отражает эффект описанного выше геоинженерного воздействия в период с 2018 по 2052 гг. Стрелками отмечены извержения вулканов Эль-Чичон (1982 г) и Пинатубо (1991 г).

На фоне относительно постоянного роста температуры, как на глобальном уровне (рис. 1), так и в Арктике (рис. 2) выделяются два периода резкого кратковременного (2 -3 года) падения температуры, синхронных с извержениями вулканов Эль-Чичон и Пинатубо. Наиболее изученным природным аналогом геоинженерного воздействия стратосферных сульфатных аэрозолей на климат является извержение вулкана Пинатубо. Менее достоверны данные, полученные при извержении вулкана Эль-Чичон. В среднем температурный климатический отклик на извержение Пинатубо оценен по литературным данным величиной 0.5±0.2°С (NAS, 2015). Важно отметить, что максимум влияния извержения на глобальную температуру пришелся на 1992 год, и влияние носило кратковременный характер. Согласно данным, представленным на рис. 1, в 1992 году средняя приземная глобальная температура понизилась после извержения Пинатубо на 0.6 - 0.7°С. Отметим, что по данным (Drisccoll et al., 2012) поствулканический эффект проявляется в Арктике наиболее ярко. На рис. 3, где показаны среднегодовые значения ПЛП, заметен кратковременный всплеск ледовитости Арктики, связанный с извержением Пинатубо (рис. 3).

Рисунок 3. Изменение площади ледового покрытия в Арктике (синяя кривая) при реализации сценария МГЭИК RCP8.5 в период с 1951 по 2052 гг. без применения метода ССА.

Красная кривая отражает эффект описанного выше геоинженерного воздействия в период с 2018 по 2052 гг.

В соответствии с данными, представленными на рис. 1, к середине текущего века средняя глобальная приземная температура при прогнозном сценарии роста концентрации СО₂ RCP8.5 может составить 15.7°С (средняя величина за период с 2048 по 2052 г.). Таким образом, будет превышен допустимый порог роста глобальной температуры +2°С над принятым прединдустриальным уровнем. Средняя температура в арктическом бассейне согласно расчетам возрастет до -5.9°С (рис. 2), что может привести к сокращению площади ледового покрова по отношению к прединдустриальному значению на 36% (рис. 3).

Этап 3. На этапе 3 оцениваются эффекты геоинженерного влияния инжекции SO₂ в арктическую стратосферу на среднюю приземную температуру в регионе Арктики, в масштабах Северного полушария и на глобальном уровне, а также влияние применения геоинженерии климата на состояние ледового покрова Ледовитого океана (красные кривые на рисунках 2, 3). Для более надежного определения эффекта геоинженерного воздействия значения температуры и ПЛП усреднены за 2 пятилетних периода с 2018 по 2022 г. (начало применения) и с 2048 по 2052 г. (конец применения). Результаты расчетов для случая инжекции SO₂ на высоте 17-18 км представлены в таблице 1.

Таблица 1. Средняя температура в Арктике на уровне 2 м над подстилающей поверхностью и ПЛП в прединдустриальный период и на середину текущего века без применения и с применением геоинженерии.

Выделенный арктический бассейн не является замкнутой системой, и геоинженерное воздействие стратосферных сульфатных аэрозолей прослеживается в более южных районах земного шара. На рис. 4 показано поле распределения разницы средних приземных температур между экспериментами с применением геоинженерии и без применения, в северном полушарии за период 2048-2052 гг. Из результатов расчетов следует, что сколь-либо ощутимое влияние арктического геоинженерного воздействия достаточно надежно прослеживается лишь до зоны северных тропиков. Более того, в некоторых экваториальных регионах, а также на Аляске, при применении геоинженерных мер, может наблюдаться незначительный рост среднегодовой температуры, однако этот факт требует более детального изучения.

Рисунок 4. Разница средних приземных температур между экспериментами с применением геоинженерии и без применения, в северном полушарии за период 2048-2052 г.

В целом результаты наших исследований подтверждают выводы работы Робока и др. (Robock et al., 2008), которые моделировали снижение потока коротковолновой солнечной радиации при условии постоянной инжекции 3 МтS/год в арктическую стратосферу. Ими было показано, что к 30° северной широты поток солнечной энергии на подстилающую поверхность снижается на порядок величины по сравнению с потоком в районе арктической инжекции. Данные результаты позволяют утверждать, что инжекция сульфатных аэрозолей в арктическую стратосферу практически не может повлиять на характер муссонной циркуляции и на интенсивность осадков в тропической зоне (Kravitz and Robock, 2011).

Выводы

Рассмотрена возможность целенаправленного воздействия на климатическую систему Арктики путем введения в нижнюю стратосферу искусственно созданных сульфатных аэрозолей, способных отражать часть приходящего коротковолнового солнечного излучения. Предполагается, что данный подход даст возможность понизить температуру нижнего слоя тропосферы и, тем самым, замедлить процессы нежелательных климатических изменений.

Для получения количественных оценок изменения величины климатических характеристик использовалась модель глобальной земной климатической системы, включающей динамику атмосферы, динамику океана и углеродный цикл (INMCM3). Модель, базовая версия которой была разработана в Институте вычислительной математики РАН, была дополнена блоком геоинженерного влияния на климат. Выходными параметрами модели служили значения температуры приповерхностного слоя атмосферы в пределах Арктики и на глобальном уровне, а также площадь ледового покрова Северного Ледовитого океана.

Рассмотрен вариант использования в качестве источника стратосферных сульфатных аэрозолей выбросов диоксида серы комбинатом «ОАО Норильский Никель», что позволило бы решить проблему недопустимо высокого загрязнения воздуха в г. Норильск.

Оценено значение средней глобальной прединдустриальной температуры приземного слоя воздуха в период с 1800 по 1850 год величиной 13.4±0.04°C. Аналогичное значение температуры в пределах Арктического бассейна согласно модельным расчетам составляло (-10±0.16)°C. Ледовый покров в Северном Ледовитом океане распространялся на площадь 8.5±0.1 млн. кв. км.

Представлен прогноз изменения глобальной и арктической средней температуры, а также изменения площади ледового покрова до середины текущего века. Прогноз основан на предположении, что концентрация СО₂ в атмосфере будет расти в соответствии со сценарием МГЭИК RCP8.5, по меньшей мере, до 2052 года. Согласно модельным оценкам средняя температура в арктическом бассейне может достичь (-5.9°C), а площадь ледового покрова сократиться до 6.4 млн. кв. км. Предложенный геоинженерный метод стабилизации климата Арктики позволил бы если не решить проблему недопустимо высокого потепления климата Арктики, то выиграть время для заметного сокращения антропогенных выбросов СО₂ в атмосферу.

Важно, что влияние предложенного геоинженерного решения стабилизации климата Арктики будет практически ограничено территорией собственно Арктики. Возможное негативное влияние применения в Арктике метода стратосферных сульфатных аэрозолей на климатические характеристики муссонной зоны будет пренебрежимо малым.

Список литературы

Будыко М.И. 1974. Метод воздействия на климат. - Метеорология и Гидрология, № 2, с. 91-97.

Володин Е.М., Дианский Н.А. 2006. Моделирование изменений климата в ХХ-ХХII столетиях с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, т. 42, № 3, с. 1 -16.

Володин Е.М., Дианский Н.А., Гусев А.В. 2010. Воспроизведение современного климата с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана INMCM 4.0. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, т. 46, № 4, с. 448-466.

Володин Е.М., Кострыкин С.В. и Рябошапко А.Г. 2011. Моделирование изменения климата вследствие введения серосодержащих веществ в стратосферу. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, т. 47, № 4, с.467-476.

Государственный доклад. 2014. Государственный доклад о состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае в 2013 году. Министерство природных ресурсов и экологии Красноярского края. - Красноярск, 2014 г., 282 с.

Дроздов О.А. и др. 1989. Климатология. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 568 с.

Елисеев А.В., Мохов И.И. 2009. Модельные оценки эффективности ослабления и предотвращения глобального потепления климата в зависимости от сценариев контролируемых аэрозольных эмиссий. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, т. 45, № 2, с. 232-244.

Елисеев А.В., Мохов И.И., Карпенко А.А. 2009. Предотвращение глобального потепления с помощью контролируемых эмиссий аэрозолей в стратосферу: глобальные и региональные особенности отклика температуры по расчетам с КМ ИФА РАН. - Оптика атмосферы и океана, т. 22, № 6, с. 521-526.

Жаров В.Е. 2006. Сферическая астрономия. - Фрязино, 480 с.

Израэль Ю.А., Рябошапко А.Г. и Петров Н.Н. 2009. Сравнительный анализ геоинженерных способов стабилизации климата. - Метеорология и Гидрология, № 6, с. 5-24.

Ревокатова А.П. и Рябошапко А.Г. 2015. Технические возможности создания аэрозольного слоя в стратосфере с целью стабилизации климата В сб.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем, т. XXVI, № 2, с. 115-127.

Рябошапко А.Г. 2011. Зависимость времени жизни субмикронного аэрозоля в атмосфере от высоты его внесения. В сб.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем, т. XXIV. - ИГКЭ Росгидромета и РАН, Москва, с. 25-42.