Фурье сформулировал теорию теплового баланса Земли, одним из основных компонентов которой был «парниковый эффект», т.е. способность атмосферы быть прозрачной для коротковолновой солнечной радиации и, одновременно, непрозрачной для длинноволновой радиации Земли. Тиндал и другие исследователи второй половины 19-го века измерили долю поглощенной длинноволновой радиации для различных газов. Шведский химик Сванте Аррениус (Svante Arrhenius) предложил первую распределенную климатическую модель и рассчитал с ее помощью влияние изменения концентрации углекислого газа в атмосфере на температуру поверхности Земли.
Основной научной областью Сванте Аррениуса была химия электролитов. Примечательно, что за свои работы, представленные в виде диссертации в университет Уппсала, Аррениус получил оценку, примерно соответствующую тройке с плюсом (non sine laude approbatur). Через девять лет за эти исследования Аррениус получил Нобелевскую премию по химии.
Сванте Аррениус. Заряженные крокетные шарики символизируют ионы.
В 1895 году, после года супружеской жизни, Аррениуса покинула жена. София Рудбек, бывшая студентка Аррениуса, красавица и умница, была одной из первых женщин в Швеции, получивших степень бакалавра в естественных науках. Бывшая жена не забывала молодого ученого, посылая письма, в которых рассказывала, как ей хорошо без него жить. Возможно, семейные трудности повлияли на решение Аррениуса погрузиться на полтора года в, как он пишет, самые кропотливые расчеты в его жизни. Расчеты влияния углекислого газа на температуру Земли.
Аррениус отнюдь не стремился узнать, насколько увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере человеком повлияет на температуру в будущем. Его идея была противоположной. Аррениус хотел объяснить чередование холодных и теплых периодов климата планеты в прошлом. В основу гипотезы были положены исследования цикла углерода, выполненные другом Аррениуса геологом Арвидом Хогбомом (Arvid Högbom), показавшие, что концентрация углекислого газа в атмосфере меняется во времени. Углекислый газ обладает парниковым эффектом, но этого эффекта недостаточно ни для объяснения изменений глобального климата в прошлом, ни для объяснения неоднородности этого изменения: например, тропические области теплеют гораздо меньше, чем приполярные.
Изменение температуры воздуха к 2050м относительно климата 1961-1990 годов согласно расчетам CCCma A2. Видно, что сильнее теплеет суша в высоких широтах.
Общая схема регулирования климата в модели Аррениуса такова. Понижение концентрации углекислого газа приводит к уменьшению парникового эффекта и начальному понижению температуры планеты. Более холодный воздух способен удерживать меньшее количество водяных паров, поэтому абсолютная влажность воздуха быстро снижается, и парниковый эффект уменьшается в значительно большей степени (водяные пары менее прозрачны для длинноволновой радиации). Далее, содержащаяся в атмосфере влага выпадает в виде снега; заснеженная поверхность Земли сильнее отражает приходящую солнечную радиацию (увеличивается альбедо поверхности), а воздух становится еще более сухим. Температура воздуха падает еще сильнее. Начинается ледниковый период.
Углекислый газ в модели Аррениуса — выключатель, запускающий серию «положительных обратных связей», взаимоусиливающихся изменений физических параметров планеты. В результате, относительно небольших колебаний концентрации углекислого газа (-40% ~ +150% , от современной) достаточно для похолодания или потепления градусов на пять-десять. В основу Аррениус взял схему «атмосферы-парника» Фурье, получившую дальнейшее развитие в исследованиях Пуйе (Pouillet), но принципиально ее усложнил. Для того, чтобы посчитать конечный эффект «переключения» на другую концентрацию углекислого газа, Аррениус разделил планету на ячейки размеров 10×20 градусов широты и долготы, и для каждой ячейки посчитал энергетический баланс. Расчеты включали оценку относительной влажности воздуха, облачности, температуры, горизонтального транспорта тепла, вертикальной структуры атмосферы, так что сложность модели не соответствовала точности имеющихся данных. Именно на расчет энергобаланса каждой из примерно 300 получившихся ячеек (полярные области в вычисления не включались) и были потрачены основные силы. И именно из-за этой сложности можно прочитать, что результаты Аррениуса неверны: в оценке некоторых параметров он сильно ошибался.
Хотя главной целью Аррениуса было объяснение механизма ледниковых периодов, он изучил и возможность влияния человека на климат. Его взгляды были очень схожи со взглядами современных климатических скептиков. Потепление климата — благо для человечества. В популярной книге 1908 года Эволюция Вселенной он пишет: «Мы часто слышим, что современное поколение растрачивает запасы угля, не заботясь о будущем; мы также ужасаемся жертвам и разрушениям вулканических извержений. Некоторое утешение мы можем найти в том, что и в том, и в другом случае добро сопутствует злу. Благодаря увеличивающейся концентрации углекислого газа в атмосфере, мы сможем наслаждаться веками умеренного, благоприятного климата, особенно в холодных регионах Земли, который принесет гораздо более обильные урожаи на благо быстро увеличивающемуся человечеству.»
Аррениус считал, что удвоение концентрации углекислого газа, несущее такие блага человечеству — дело тысячелетий (в поздних публикаций он сократил срок до восьмисот лет). По современным оценкам, при продолжении текущих темпов роста удвоение концентрации углекислого газа наступит в середине этого века. Конечный результат Аррениуса очень схож с расчетами современных климатических моделей.
Статья Аррениуса в «Философском Журнале».
Сокращенная HTML — версия статьи.
Оригинал текста - profpr
