В настоящее время высказывается мнение, что перераспределение массы атмосферы вследствие ее общей циркуляции может само способствовать вулканизму. Если области высокого и низкого давления расположатся так, что их граница придется на подвижные зоны, произойдет благоприятное для сейсмичности перераспределение массы атмосферы. Перепаду давления в 20 мб, что вполне реально, только в двух районах площадью по 107 км2 будет соответствовать перепад массы атмосферы в 2·1015 т, что создаст значительные дополнительные силы напряжения в земной коре.
Вулканическая деятельность способствует поступлению в атмосферу не только газовых компонентов, но и аэрозоля, который существенно влияет на условия прохождения и поглощения ультрафиолетовой и инфракрасной радиации, а следовательно, и на климат.
Совокупное воздействие астрономических и геофизических факторов стимулирует внутриатмосферные процессы и в первую очередь циркуляционные механизмы, к анализу которых мы перейдем ниже. Но прежде заглянем в ближайшее будущее.
По-видимому, на климат в обозримом историческом прошлом главным образом влияли аэрозоль и малые газовые компоненты, включая CO2, их воздействие будет решающим и в будущем.
В настоящее время годовое поступление в атмосферу аэрозоля достигло уже порядка 2 млн. т, из которых более половины приходится на естественный аэрозоль, в основном вулканического происхождения. Аэрозоль обладает двумя главными климатическими эффектами. Прежде всего он поглощает солнечную радиацию, нагревая воздух на высотах, и уменьшает поступление солнечной радиации к поверхности Земли. Кроме того, мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновую солнечную радиацию, что равносильно увеличению отражательной способности атмосферы, и способствует ее охлаждению. По этой причине сказать однозначно, что аэрозоль приводит к потеплению или похолоданию климата, нельзя. Все зависит от свойств аэрозоля.
Связь уменьшения солнечной радиации с вулканической деятельностью была установлена давно. Так, например, в Павловске, вблизи Ленинграда, в 1912—1913 гг. коэффициент прозрачности атмосферы упал с 0,74—0,75 до 0,57—0,68. Это было связано с извержением вулкана Катмай на Аляске в 1912 г. Такая же картина была зарегистрирована при извержении вулкана Агунг в 1963 г. и др.
Ряд ученых влиянием вулканического аэрозоля объясняют похолодания климата и даже целых ледниковых эпох, например в четвертичном периоде. Английский климатолог Лэмб построил ход индекса вулканической активности с 1500 г. по наше время. В XV—XVI и в начале XIX в., т. е. в период малого ледникового периода, согласно этому индексу действительно наблюдалась повышенная вулканическая деятельность.
С 1912 до начала 40-х годов сильных вулканических извержений не происходило, и атмосфера в это время была более прозрачной. В 1900—1940 гг., т. е. в период роста температуры, увеличивалась в среднем и прямая солнечная радиация. Ее отклонение от средних значений достигло к началу 40-х годов около 2%. Одновременно с падением температуры уменьшилась и прямая солнечная радиация. Следовательно, можно считать, что при потеплении атмосфера была более прозрачной, а количество доходившей до Земли радиации больше. Однако это еще не доказательство того, что потепление климата было вызвано прозрачностью атмосферы.
В попытке объяснить климатический тренд нынешнего столетия только вулканической деятельностью мы сталкиваемся с противоречием. Так, с 1883 по 1912 г. наблюдалась серия вулканических извержений. После каждого из них в течение нескольких месяцев и даже одного-двух лет понижался уровень приходящей солнечной радиации. В ряде случаев изменялась температура. Средняя температура в конце XIX — начале XX в. была низкой. Однако именно в это время, в период вулканической деятельности, а не после него, началось повышение температуры, достигшее максимума в 30—40-е годы. Наступившее вслед за этим похолодание климата отмечено задолго до очередных извержений в конце 40-х — начале 50-х годов, бывших к тому же слабыми. После извержения вулкана Агунг (1963 г.) в конце 60-х годов произошло не похолодание, а некоторое потепление климата.
Признавая, таким образом, исключительно важную роль вулканического аэрозоля в формировании климата, тем не менее объяснять изменения климата в прошлом лишь влиянием этого фактора было бы неверно.
Следующий климатообразующий фактор — естественный цикл CO2 и некоторых малых компонентов, обладающих тепличным эффектом (водяной пар, хлорные соединения и др.). В настоящее время в атмосфере Земли содержится 0,033% CO2, что соответствует примерно 2350—2570 млрд. т, а в океане в 50 раз больше. Между атмосферой и океаном, атмосферой и биосферой непрерывно происходит обмен CO2. В современную эпоху на фотосинтез растений расходуется из атмосферы около 100 млрд. т CO2 в год и столько же примерно его выделяется в атмосферу в процессе дыхания живых организмов. Поступление CO2 из недр Земли за счет вулканизма составляет, по-видимому, в среднем немногим более 0,1 млрд. т/год, что на 1,5—2 порядка меньше антропогенного поступления CO2 в атмосферу. В самой литосфере содержится около 2·108 млрд. т углерода, основная часть которого связана в карбонатных породах.
Скорость обмена CO2 в естественном цикле составляет в системе атмосфера—земная биосфера около 20 лет, а в системе земная биосфера—атмосфера около 20—40 лет. Соответственно в системе атмосфера—океан и океан-атмосфера полный период обмена около 5 лет.
Характерной особенностью обмена CO2 между океаном и атмосферой является зависимость этого обмена от температуры воды. В результате в высоких широтах поток CO2 направлен из атмосферы в океан, а в низких — из океана в атмосферу. По различным оценкам изменение температуры в деятельном слое океана толщиной 50 м на 1°С вызывает изменение концентрации CO2 в атмосфере на 0,4% или даже больше.
В истории Земли были периоды, когда содержание CO2 было существенно больше, чем теперь. Так, по некоторым данным, около 250 млн. лет назад концентрация CO2 составляла 7,5%, в фанерозое (570 млн. лет назад) — не более 0,3%. Предполагают, что около 1 млн. лет назад в отдельный период концентрация CO2 была в 2 раза выше современной. Что касается нынешней эпохи, то большинство исследователей сходятся в том, что сейчас содержание CO2 в атмосфере невелико.
Такова в общих чертах роль геофизических факторов естественного происхождения в формировании климата.
Циркуляционные факторы изменения климатаВ этом разделе речь пойдет о внутриатмосферных факторах, регулирующих климатический режим и его изменчивость через общую циркуляцию атмосферы. Результатом взаимодействия внутриатмосферных факторов и внешних климатообразующих сил является формирование общей циркуляции атмосферы, которая в разные климатические эпохи менялась.
При анализе уравнения баланса термодинамической энергии мы отмечали, что циркуляционный механизм (Eцирк) характеризует перераспределение энергии на сфере как в горизонтальной плоскости, так и по вертикали. Этот механизм может вызвать весьма существенные климатические аномалии определенного вида в одних районах и совершенно иные — в других. При этом суммарная для сферы термодинамическая энергия может и не меняться.
Обратимся теперь к некоторым фактическим данным, иллюстрирующим роль циркуляционных факторов в изменении климата. Как уже упоминалось, зима 1657/58 г. была одной из самых холодных в районе Швеция—Дания. Средняя температура составляла около —1°С, хотя в обычные годы она была на 4° выше. Холодные зимы в этом регионе наблюдались в 1739/40, 1762/63, 1783/84, 1788/89, 1794/95, 1798/99, 1822/23, 1829/30, 1837/38, 1890/91, 1928/29 и 1941/42 гг. Часть зим приходится на малый ледниковый период, две последние же — на период потепления климата. Аномально холодная зима 1941/42 г. отмечалась в период максимума потепления климата в северном полушарии. И таких примеров, когда в отдельных регионах при общем потеплении имели место экстремально холодные условия, а при похолодании — теплые, можно привести немало. Анализ восстановленных температур по данным о кольцах деревьев в Калифорнии указывает на общее потепление климата в конце малого ледникового периода, между серединой XVII и началом XX в.
Довольно детально циркуляционные факторы климата прошлого были исследованы Лэмбом. Он подчеркивает, что для Англии за последние 290 лет квазипериодические процессы с частотой 20—25 и 45—55 лет играют существенную роль в изменении климата. Он показал, что циркуляционные условия аномальных климатических периодов, как правило, различались.
Анализ барико-циркуляционного режима в Европе показывает, что самые мягкие зимы соответствуют периоду западных и юго-западных ветров (1920—1929 гг.), теплые летние сезоны характеризуются хорошо выраженными антициклоническими типами циркуляции над Западной и Центральной Европой (1940—1949, 1976 гг.).
