Радиационный баланс Земли и его влияние на климат

Данные, прогнозы, разработки.

Радиационный баланс Земли — один из важнейших факторов, определяющих динамику планетарной климатической системы. Он представляет собой алгебраическую сумму потоков радиации на какой-либо поверхности, иными словами — разницу между поглощенной радиацией и эффективным излучением* этой поверхности.

Радиационный баланс выражается в единицах энергии на единицу площади (например, Вт/м²) в единицу времени. Его можно измерить балансомером или вычислить по метеорологическим данным. Балансомер конструкции Ю.Д. Янишевского (российский геофизик и изобретатель) состоит из двух горизонтальных пластинок (приемников радиации), первая из которых направлена к зениту, а вторая — к земной поверхности. Из-за разности радиации, которая «падает» на пластинки, возникает разница температуры, провоцирующая возникновение электрического тока — он регистрируется гальванометром.

Радиационный баланс бывает положительным и отрицательным. В первом случае это означает избыток тепла на поверхности, что может компенсироваться оттоком энергии в виде турбулентных и кондуктивных потоков, расхода тепла на фазовые переходы. Во втором случае подразумевается недостаток тепла, который восполняется притоком энергии из атмосферы или из глубины почв либо воды. Радиационный баланс Земли колеблется в широких пределах: максимальное значение он имеет в тропических океанах (до 1 тыс. Вт/м²), минимальное — в глубинных областях Антарктиды, где он целый год отрицателен. Радиационный баланс и его пространственная гетерогенность** определяют области прогрева или охлаждения воздуха над поверхностью, что влияет на режим циркуляции атмосферы. Радиационный баланс зависит от альбедо (отражательной способности) поверхности, состояния атмосферы, облачности, а также от высоты Солнца над горизонтом, которая обусловлена частью суток, временем года, географической широтой.

Антропогенные и естественные изменения радиационного баланса Земли называются радиационным форсингом. Учитывая значения радиационного баланса Земли на верхней границе атмосферы, можно предположить, как глобальная температура отреагирует на радиационный форсинг. Подавляющее большинство эволюционных климатических сценариев основаны на данных о его чувствительности по отношению к совокупности факторов. На климатическую систему можно влиять, искусственно корректируя составляющие радиационного баланса Земли, что поможет снизить рост глобальной температуры.

Радиационный баланс земной атмосферы состоит из положительной и расходной частей. Положительная часть — это поглощенная прямая и рассеянная солнечная радиация и поглощенное длинноволновое (инфракрасное) излучение земной поверхности, а расходная часть — потери тепла из-за длинноволнового излучения атмосферы в направлении Земли (противоизлучение атмосферы). Существуют три основных способа изменения радиационного баланса Земли. Первый предполагает корректировку поступающей солнечной радиации (например, вследствие изменений в орбите Земли или в Солнце); второй — изменение альбедо, то есть той доли солнечной радиации, которая отражается (этого можно добиться, внеся некоторые изменения в облачный покров, атмосферные частицы или растительность). Наконец, третий способ подразумевает изменение длинноволнового излучения Земли обратно в космос (например, путем изменения концентраций парниковых газов).

По мнению заведующего лабораторией методов космического мониторинга радиационных процессов Земли НИЦ «Планета» В.А. Головко, очень важно адекватно диагностировать энергетические потоки на верхней границе атмосферы Земли. Ученый отмечает, что современные методы космического мониторинга позволяют контролировать все составляющие радиационного баланса планеты. Космические наблюдения последних десятилетий подтверждают наличие современного энергетического дисбаланса Земли.

Если глобальная температура возрастет как минимум на 2º C, то для многих регионов это повышение может быть катастрофическим. В связи с аномально высокими темпами глобального потепления особенно актуальными становятся разработки, связанные с технологиями, формирующими отрицательный радиационный форсинг (антифорсинг).

Мировое научное сообщество постоянно работает над стабилизацией климата, чтобы противостоять глобальному потеплению. Последнее десятилетие все чаще говорят об управляемом сокращении поглощаемой Землей приходящей солнечной радиации для компенсации антропогенного и природного парникового эффектов. Один из геоинженерных подходов предполагает целенаправленное изменение радиационного баланса Земли. В.А. Головко отмечает, что для этого можно ввести в стратосферу сульфатные (и другие отражающие) аэрозоли, разработать орбитальные отражатели или отражатели в точке Лагранжа, увеличить облачность над Мировым океаном и изменить альбедо поверхности Земли. По мнению группы российских ученых***, которые занимаются обоснованием метода стабилизации климата при помощи сульфатных аэрозолей, ежегодная инжекция SO2 массой около 5 Мт на протяжении 20 лет в нижнюю стратосферу Арктики может нейтрализовать региональное потепление на несколько десятков лет. В статье «Радиационный баланс и чувствительность климата Земли: диагностика и геопроектирование» В.А. Головко подчеркнул, что сульфаты в чистом виде «не являются оптимальным компонентом для создания аэрозольных слоев». Благодаря современным нанотехнологиям появляются более совершенные методы, нежели инжекция сульфатов. К ним относится, например, создание наночастиц, подверженных воздействию фотофоретических сил.

Специальные искусственные нанодиски могут надолго задерживаться в уровнях стратопаузы и мезопаузы, а электростатические и магнитные материалы искусственно задействуют фотофоретические силы. Примечательно, что специально подобранные характеристики дисков позволят им мигрировать в высокие широты, где, по словам В.А. Головко, глобальное потепление особенно ощутимо.