Что мы знаем о проблеме и общих тенденциях изменения климата?

Как следствие, Россией был ратифицирован Киотский протокол, регламентирующий выбросы парниковых газов. В рамках этих неоднозначных вопросов требуется адекватное научное понимание проблемы, обуславливающее компетентное принятие решение как собственно по проблеме климата, так и по вопросам политики и экономики. 

Речь идет о ряде взаимосвязанных и взаимообусловленных вопросах включающих повышение средней или локальной температуры в общегеографическом, планетарном масштабе, изменениях режимов выпадения осадков,  таяния полярных льдов и горных ледников, увеличения концентрации парниковых газов (СО₂ и других газов, содержащих углерод - С), замедление (неэффективность, запаздывание) процессов депонирования атмосферного углерода, увеличение частоты аномальных погодных событий, процессов эрозии почв, снижение лесопокрытых площадей, опустынивание, обезвоживание территорий, уменьшение речного стока, чистоты вод и т.д.  В настоящее время, наземные экосистемы усваивают С, но недостаточно быстро, чтобы принципиальным образом замедлить рост его концентрации в атмосфере и как следствие – снизить её температуру. Процессы, скорость и возможности депонирования С мировым океаном и океанской биотой являются недостаточно понятными для их возможного моделирования.

Одним из самых ярких примеров повышения общей температуры на планете является процесс таяния (уменьшение площадей) и мощности полярных льдов и горных ледников (Рис.1-2), том числе в горных системах Алтая, Кузнецкого Алатау, расширение площади Васюганской болотной системы на 25%, таяние вечной мерзлоты на северо-востоке России и др.

Рис. 1 Таяние (сокращение общей и относительной площади) и толщины полярных льдов и горных ледников наблюдается по всей планете – сопровождается поднятием уровня мирового океана

Рис. 2 Видимое сокращение площади и толщины полярных льдов за последние 25 лет

Ситуация усугубляется тем, что эффективно в бореальной зоне усваивать углерод могут только полноценные сложившиеся древесные и иные растительные формации (леса, лесостепи, степи на черноземах) с оптимальным режимом увлажнения (отсутствием дефицита влаги) и высокой биопродуктивностью. Эрозия почв и аномальные погодные события (ранние или поздние заморозки, теплая зима, нерегулярность выпадения осадков, смена годовых объемов выпадаемых осадков в системе зима-лето, относительно длительные периоды засухи в  период вегетации – все это может негативно сказаться на таких сложных и тонко настроенных планетарных экосистемах как леса, в том числе бореальные леса, произрастающие на территории России.

Наибольшее количество (свободного) углерода депонировано (растворено) в мировом океане, содержится в плодородном слое почв, биоте присутствующей на континентах (в основном это растительный мир планеты и мортмасса им продуцируемая).

Вследствие непрекращающейся деятельности человека углерод, депонированный в минеральном сырье – угле, нефти, природном газе высвобождается и выбрасывается в атмосферу. Далее, «фабриками» по депонированию углерода – мировым океаном (путем растворения, а также  переводом С в нерастворимое состояние – тела водорослей, кораллов, моллюсков и др.),  а также лесами, другими растительными сообществами (через процессы почвообразования и др.) весь доступный атмосферный углерод теоретически и практически переводится в негазообразное состояние (депо).

Международным сообществом и Россией принят к исполнению Киотский протокол, ограничивающий выбросы парниковых газов в атмосферу планеты. В России действует и расширяется программа «Лесов Киото», предусматривающая создание искусственных лесов и выполнение комплекса работ по созданию целевых углерододепонирующих насаждений (УДН) в Нижегородской и Ульяновской областях на площади 3,5 тыс. га, а также в 2008-1012 годах планируется создание лесных насаждений в 10 регионах России на площади более 30 тыс. га. При этом депонирование создаваемыми УДН к 2050 составит 3,5 млн. тонн углерода. В управляемых лесах депонирование составит не менее 33,0 млн. тонн углерода ежегодно за счет улучшения ведения лесного хозяйства.

По данным интернет-сайта Рослесхоза (http://www.rosleshoz.gov.ru/activity/science/reports/1) в конце прошлого столетия массовые усыхания лесов приняли перманентный характер, в некоторых областях Северо-запада России в настоящий момент они приобрели масштаб экологической катастрофы. Так, наиболее привлекшим к себе внимание и, вероятно, наиболее обширным по площади в России является массовое усыхание лесов в Архангельской обл., наблюдаемое с 1997 года. Усыхание имеет интенсивную динамику развития: с начала 2004 г. к концу 2005 г. площадь усыхания увеличилась примерно на 50% и оценивается сегодня более чем в 2 млн. га. При этом процесс поражения уже перекинулся и на Удорский район Республики Коми. Ожидается, что общая площадь усыхающих лесов может достигнуть 5 млн. га. Кроме Архангельской обл. рассеянные очаги усыхания ели в массовом количестве встречаются в Ленинградской и Новгородской обл., отмечены они также в Карелии и Псковской обл.

Наблюдаемая общая картина усыхания еловых лесов в бореальной зоне Европейской части хорошо соотноситься с данными глобального и локального повышения температур на данных территориях на 3-4 ˚С за последние 20-30 лет (Рис.3). При этом мало  известно об смене режимов увлажнения в системе годового перераспределения объемов осадков (зима-лето), увеличении частоты аномальных погодных событий, включая бездождевые периоды летом, с учетом того, что с увеличением температур деревья в силу их биологических особенностей вынуждены больше испарять влаги и соответственно больше потреблять ее из почвы. Кроме того, еловые леса (деревья ели) имеют свои биологические особенности, связанные с поверхностным расположением и залеганием корневых систем, что обуславливает их чувствительность к условиям и регулярности увлажнения, глубине залегания грунтовых вод. Поэтому, любое иссушение или нерегулярное увлажнение лесных почв (даже разовая засуха или хроническая нехватка в течение одного сезона) может привести и скорее всего приводит к ослаблению и гибели еловых лесов на обширной территории Севера России. Кроме того, не определены механизмы популяционно-генетической (наследственной), а также географической устойчивости  массивов (популяций) ели, произрастающих на проблемных территориях (Рис.3). 

Рис. 3 Максимальное повышение температур (на 3-4 ˚С) в бореальной зоне в Европе отмечается как раз в Архангельской обл., Карелии, Коми

Эти данные свидетельствуют о том, что усыхание ельников в Архангельской и других областях находится в контексте общего усыхания бореальных лесов, наблюдаемого в настоящий момент и связано это скорее всего  с глобальным увеличением атмосферных температур и смены режимов выпадения осадков. За последние 20 лет в Российской Федерации ежегодно усыхает в среднем около 300 тыс. га лесных насаждений. Максимальная интенсивность усыхания, рассчитанная как отношение площади погибших лесов к покрытой лесом площади, зафиксирована в Южном федеральном округе и лесах Республики Калмыкия. Высокие показатели интенсивности усыхания отмечены в Читинской, Московской обл., Чукотском АО и Приморском крае. Процесс усыхания бореальных лесов в Северной Америке также распространен на огромных территориях. "The State" – официальный информационный портал штата Южная Каролина (США) – сообщает о развитии усыхания сосновых лесов западного побережья Канады. Статья называется "Rapid warming" spreads havoc in Canada's forests – "Быстрое потепление сеет разруху в лесах Канады".

Как видно из приведенного выше краткого обзора, леса усыхают в России, Европе, Северной Америке – деградация таежных лесов (тайги) становится глобальным явлением. Предположение о том, что наиболее общими причинами массовой гибели лесов являются климатические изменения глобального планетарного характера в настоящее время, является, практически, безальтернативной гипотезой. Таким образом, проблема усыхания лесов в конкретных субрегионах может быть связана как с повышением температура на 2-4˚С градуса выше обычной, так и аномальными погодными событиями, связанными с периодичностью и критически низкими величинами или неравномерностью выпадения  осадков в течение года.

Из Рис. Видно, что в планетарном масштабе в проблемную температурную зону попадает значительная часть лесов бореальной зоны Российской Федерации. В этой связи, отдельного рассмотрения требует вопрос определения физиологической (биологической),  популяционно-генетической и географической устойчивости массивов естественных еловых и других хвойных, а также широколиственных лесов к аномальным погодным событиям и температурным рекордам последнего времени (Рис.4-6).

Рис.  4 Температурные аномалии состоявшиеся в последние 10-20 лет в планетарном масштабе

Рис. 5  Температурные аномалии наблюдаемые в последние 20 лет в планетарном масштабе

Рис.  6 Температурные аномалии состоявшиеся в последние 20 лет в планетарном масштабе (в на севере бореальной зоны  России около 5 ˚С градусов)

По оценкам международных экспертов территории России (бореальная зона и зона вечной мерзлоты, стыки степей и полупустынь, болотные системы) будут в определенной степени подвержена последствиям глобального изменения климата (Рис.7).

Рис. 7 Изменения общего «климатического индекса» по отдельным странам

Не менее серьезные хозяйственно-значимые климатические изменения будут происходить в других частях света, в том числе возрастут риски, связанные с сельским хозяйством (Рис.8)

Рис. 8 Прогнозные территории, где к 2080 будут максимальны риски, связанные с сельским хозяйством (Рис.)

Таким образом, сформировалась новая климатическая реальность, с которой в ближайшие десятилетия придется столкнуться как политикам, экономистам, так и ученым разных специальностей – экологам и биологам общего профиля, гидрологам, лесоводам, почвоведам, географам, специалистам по моделированию климата, генетикам, ландшафтоведам и др.

Вместе с тем,  кроме абсолютных (приборных, статистических, фотографических, прогнозных) и ни у кого не вызывающих сомнение данных об изменении климата на планете большого внимания  требует корректная подача этого материала и исключение излишних спекуляций, поскольку в научном мире на проблему глобального потепления имеется достаточно много разнообразных, порой противоречивых точек зрения и соответствующих гипотез.

В Интернет-ресурсах также данная тема часто политизирована и не отражает суть, научное понимание и все стороны происходящих процессов. Например, из текущих новостей (http://top.rbc.ru/society/20/10/2007/123128.shtml?print): «....Британские ученые установили, что Мировой океан поглощает меньше углекислого газа, чем прежде, сообщает Би-би-си. Эксперты из университета Восточной Англии изучили более 90 тысяч замеров, произведенных автоматическим оборудованием, установленным на торговых судах. Результаты исследования в северных районах Атлантики, длившегося десять лет, показали, что количество CO₂, поглощенного океаном с середины 1990-х годов до 2005 года, сократилось вдвое. Причина этого неизвестна, но британские специалисты опасаются, что океаны приближаются к пределу насыщения углекислым газом и будут не в состоянии больше поглощать его. "Ученые не знают, что это - естественные изменения свойств океана или последствия изменений климата", - прокомментировал результаты исследования аналитик Би-би-си Роджер Харрабин. "Но они (ученые - ред.) говорят, что это крайне удивительный и очень тревожный факт, поскольку есть основания полагать, что спустя какое-то время океан насытится углекислым газом, и будет не в состоянии больше его поглощать", - сказал Роджер Харрабин. В атмосфере остается лишь половина выбрасываемого в нее объема CO₂. Другая половина поглощается океанами и растениями на суше, что смягчает эффект климатических перемен. Углекислый газ считают одним из главным виновников так называемого парникового эффекта, который, по мнению ученых, ведет к глобальному потеплению. Снижение способности океана поглощать CO₂ дает ученым серьезный повод для беспокойства: увеличение концентрации двуокиси углерода у поверхности Земли приведет, по их мнению, к дальнейшему повышению температурного фона.».

Тема в целом не нова, - феномен того, что газированная вода при нагревании выделяет углекислоту и в теплой воде ее содержится меньше, известно каждому взрослому и школьнику из собственного эмпирического опыта. Факт того, что предельное насыщение мирового океана углекислотой уже наступило менее известен, но он проистекает из также давно полученных данных (при сверлении льда (кернов) в Антарктиде и анализе содержания углекислоты во льду, изменения общих условий и относительной скорости формирования льда этих ледовых кернов).

В целом, средняя температура на планете за последние 1000 лет увеличилась (всего лишь) на 0,8˚С градуса (Рис.9).  Отмечается, что скорость ее  повышения сегодня также является в принципе беспрецедентной.

Рис. 9 Колебания температуры атмосферы за 1000 лет (например в сравнении с 1600-ми гг. она в среднем была на 1,6 ˚С градуса ниже современных значений - для конца 20-го тысячелетия)

В тоже время, если рассматривать изменения основных  параметров климата (в основном это температура и содержание СО₂ в атмосфере) за последние 400 тыс. лет, то происходящие современные (за последние 100 и 1000 лет) температурные «рекорды» и другие «аномальные» события выглядят не столь «драматично» и «угрожающе»(Рис.10-11)

Рис. 10 Колебания (циклы) соотношения температуры (и содержания углекислого газа в атмосфере – см. Рис. ниже), а также уровни льдов (высокие, низкие – как отражение процессов нагревания и остывания атмосферы) за последние 450 тыс. лет.

Рис. 11 Содержание углекислого газа в атмосфере планеты и соответствующие температурные циклы (вокруг среднего по периоду –  обозначенного как 0˚С), (параметры автоколебаний климатического процесса в целом) за последние 400 тыс. лет (т.е. значение температуры и содержания СО₂ в атмосфере были уже неоднократно выше вследствие автогенных естественных причин!)

Т.е.  за демонстрацией этих графиков следует очень важный вывод о том, что климатические события (помимо влияния деятельности человека) имеют полностью автономный (автогенный) характер (собственный механизм) процессов. Для сторонников глобального потепления необходимо сообщить, что параметры значений температур этих климатических автоколебательных цикличных процессов были выше современных значений 130, 240, 325, 410 тыс. лет назад. (Рис.11). Значения содержания углекислого газа (СО₂) в атмосфере были выше современных - 130, 325 тыс. лет назад и имели похожие уровни - 240, 410 тыс. лет назад без вмешательства человека (Рис.11).

Сценарий, описывающий сами показанные климатические цикличные изменения довольно прост. Океан и наземные растительные системы не могут с такой же скоростью усваивать углерод из атмосферы, с какой он выделяется из мирового океана в результате повышения температуры (система усвоения (депонирования) углерода имеет период запаздывания). В тоже время механизм достаточно эффективен и масштабен и позволяет сдерживать нагрев атмосферы в течении примерно 100 тыс. лет для каждого из субциклов (Рис.10-11).

Таким образом, в результате бурения арктических льдов и анализа ледовых кернов доказано, что повышение концентрации углекислого газа в атмосфере и, как ответная реакция, повышение температуры атмосферы и все сопровождающие ее процессы (таяние или формирование материковых или полярных  льдов, понижение или повышение мирового океана, сокращение площадей лесов, образование «ледяных пустынь» и прочее) – это взаимообусловленные автоколебательные процессы сложной автогенной природы. (Ряд российских ученых считает, что не повышение содержания углекислого газа в атмосфере является инициатором (запалом) поднятия температуры, а наоборот, поднятие температуры (разогрев) океанов и атмосферы является инициатором выделения углекислоты из океана – при этом влияние деятельности человека выглядит не таким драматичным и вообще сколько-нибудь значимым). Периоды глобальных оледенений были гораздо более продолжительными по времени, чем периоды с современной комфортной температурой (Рис.10-11), особенно в бореальной зоне (Рис.12).  Таким образом, на основании представленных данных (здесь мы озвучиваем также широко распространенное, но менее известное мнение) планета имеет (демонстрирует в последние 400 тыс. лет) серьезный  автоколебательных планетарный механизм климатических изменений по большому счету  принципиально не связанный (!) с деятельностью человека. При этом (насколько известно автору) не до конца понятен сам механизм, запускающий (инициирующий) первичный нагрев мирового океана, выделения из него растворенного углекислого газа и только в результате этого – начальное поднятие атмосферной температуры, которые в дальнейшем инициирует дальнейшее выделение углекислоты из океана. Кроме того, выраженный колебательный процесс имеет свои поворотные точки –  «точки отскока», которые также имеют место внутри «большого» колебательного процесса (Рис.10-11).

Рис. 12 Состояние и площадь сплошного ледника в бореальное зоне России в период одного из максимумов глобального оледенения 140 тыс. лет назад

Рис. 13 «Классический» раскоп по климату в четвертичную эпоху на краю ледникового щита (период 0-40 тыс. лет назад) –  Придонье, Воронежская обл., с.Костенки. Почвообразовательные процессы (воронежские черноземы  –  признак климата, подобного современному) имели  место не позднее 8 тыс. лет назад (нижний край черноземных почв). Основной климат в последний ледниковый максимум (40-8 тыс. лет назад) – был холодным – это тундра, ледяная пустыня с вечной мерзлотой, «великая мамонтова степь», реже – кратковременное присутствие древесно-кустарниковой растительности.

В тоже время, последний климатический цикл в котором мы живем (связанный с повышением температуры и концентрации углекислого газа в атмосфере) до прохождения «точки отскока» и наступления нового глобального оледенения длиться уже около 130 тыс. лет (предыдущие циклы были значительно короче – от 90 до 115 тыс. лет). Все дело в достижении некоего максимально возможного  (в планетарной климатической системе)  критического уровня содержания углекислого газа в атмосфере, которое имело место при прохождении подобной же «точки отскока» в предыдущие названные периоды климатических колебаний (Рис.10-11).

Так,  теоретически, до наступления (через пока неизвестное число лет)  «точки отскока» может иметь место лишь кратковременное (по геологическим меркам) повышение атмосферной температуры (глобальное потепление), которое, после прохождения (гипотетической) «точки отскока» по максимальным значениям температуры и содержанию углекислого газа в атмосфере с практически 100% вероятностью неизбежно последует глобальное похолодание (!), которое, впрочем, также будет развиваться не быстро - в течении 5-10 тысяч лет (Рис.10-11). Впрочем, процесс похолодание в предыдущие циклы протекал гораздо стремительнее, чем следующий за ним многотысячелетний цикл постепенного потепления, в котором мы сейчас живем. Причем климат в средней полосе Европейской части России, по комфортности сопоставимый с сегодняшним существовал только в последние 6-8 тыс. лет назад (Рис.13-14). Это фиксируется по интенсивности почвообразовательных процессов, - 8-40 тыс. лет назад климат был значительно холоднее и почвообразовательные процессы и сопутствующая им растительность практически были в «замороженном» состоянии.

Структура площадей занимаемых наземной древесной и другой растительности в том числе в бореальной зоне коренным образом отличалась от современной (Рис.14). 

Рис. 14 Типы растительности в последние ледниковые минимумы (ок.30 тыс. лет) и максимумы (ок.20 тыс.лет назад)

Если ок.30 тыс. лет назад в период (предпоследнего) ледникового минимума древесная растительность занимала примерно тоже место и площади, что и в настоящее время (за исключением ледника в Скандинавии сегодня), то в период ледникового максимума (ок.20 тыс. лет назад Рис.), леса присутствовали только ближе к экваториальной части, а большая часть России была занята безлесной тундрой и вечной мерзлотой. (Все же данный приведенный рисунок  из американской книжки видимо недостаточно корректен, поскольку на территории Кавказа, Юга Сибири и Дальнего Востока (по многочисленным косвенным признакам) существование бореальной и субтропической растительности  с большой долей вероятности было непрерывным.

Тайга (Рис.15) (светло-синяя окраска) в показанной ниже системе соотношения средней годовой температуры и осадков (см) определенного для каждого типа растительности оказывается наиболее уязвимым сектором при повышении средней температуры (как общей, так и локальной). Если современный климатический и географический оптимум расположения тайги лежит в области распространения средних годовых температур на планете – 0-(-5)˚С (Рис.15), то при его сдвиге от среднего значения на 3-4˚С градуса (современное состояние) практически ½ площади, занимаемой тайгой выпадает из климатического оптимума для  ее существования.

Данное обстоятельство может негативным образом отразиться на состоянии коренных хвойных лесов в бореальной зоне равнинной части России и на условиях существования тайги на  естественных высокогорных участках ее произрастания на территории  Кавказа, Урала, Западной Сибири и Дальнего Востока.

Рис. 15 Тайга (светло-синяя окраска), в показанной системе соотношения значений средней годовой температуры и осадков (см) определенного (характерного) для каждого типа растительности, оказывается наиболее уязвимым сектором при повышении  средней температуры. Если современный климатический и географический оптимум расположения тайги лежит в диапазоне распространения средних годовых температур на планете – 0-(-5)˚С (Рис.), то при его сдвиге от среднего значения на 3-4˚С градуса вправо на схеме  (современное состояние) практически ½ площади, занимаемой тайгой выпадает из климатического оптимума для  ее существования.

Представленные материалы обсуждались на Международной конференции по изменениям климата в 2006 г. В г.Томске – Enviromis-2006. В обзоре использованы материалы и информация, находящиеся на Интернет сайтах в общем доступе, опубликованные собственные материалы и фотографии автора.