В этом году исполняется 100 лет со дня рождения одного из моих научных руководителей – климатолога Михаила Ивановича Будыко (1920-2001). Пятьдесят лет назад, когда наука о прогнозировании изменения климата только зарождалась, этот ученый из Советского Союза сделал ряд климатических прогнозов, которые впоследствии оказались удивительно точными.

Эти прогнозы не были так хорошо известны на Западе, как некоторые из других его работ. Причина в том, что, как вспоминал сам Будыко в интервью в 1990 году, большинство его коллег в то время отвергали идею неизбежного, долгосрочного глобального потепления как что-то совершенно невозможное. Научному истеблишменту потребовалось почти 20 лет, чтобы принять эту парадигму Будыко.

В этой статье мне бы хотелось обсудить те методы, которые лежат в основе предсказаний Будыко, и показать, почему его прогноз был важным шагом в развитии современной науки о климате и почему он должен быть основой нового т.н. business as usual сценария глобального потепления, характеризующего изменения на Земле, которые могут произойти, если мы не предпримем какие-либо дополнительные усилия к тому, что уже делаем, для смягчения или обращения вспять изменения климата.

Пророческий взгляд на современный климат

Будыко лучше известен своими работами в других научных областях. В 1950-60 годы Будыко, как и некоторые другие советские ученые, обсуждал возможность уничтожения многолетних Арктических льдов. Проблема заключалась в том, что в период с 1940 по 1970 площадь льдов в Арктическом бассейне увеличилась по сравнению с 1920-1940 периодом, и перед учеными, как тогда казалось, стояла задача защитить инфраструктуру Заполярья и обеспечить бесперебойную работу Северного Морского Пути. Основным вкладом Будыко (1966) в этой области исследований было открытие однонаправленности процесса таяния многолетних льдов. Используя зависимость компонентов теплового баланса Арктики от погодных условий, он показал, что если однажды растопить льды, например путем их запыления сажей или красными водорослями, они больше уже не восстановятся из-за уменьшения отражательной способности (альбедо) Арктического бассейна и соответствуещего увеличения теплового запаса поверхности океана. В 1969 году он создал первую модель глобального энергетического баланса, описывающую условия «Белой Земли», при которых планета замерзает от полюсов до тропических штрот [Будыко, 1969]. (Это, возможно, происходило на Земле в период, который закончился около 635 миллионов лет назад, когда сложные формы жизни только начали развиваться). Он также разработал «кривую Будыко» для моделирования реальной эвапотранспирации покрытых растительностью водосборов в зависимости от показателей влажности или сухости окружающей среды. Позже, в 1974 году, когда его понимание проблемы глобального потепления вышло на новый уровень, Будыко задумался о необходимости ограничения этого процесса. В результате интенсивных исследований появилась идея «покрывала Будыко», которая предполагала использование частиц сульфатного аэрозоля, вводимых в стратосферу Земли для контроля глобального потепления.

В 1972 году, еще до того, как средняя глобальная температура начала резкий, устойчивый рост, который наблюдается с тех пор уже полвека, Будыко опубликовал менее известный климатический прогноз на 100 лет вперед. Он предсказал, что средняя глобальная температура Земли повысится примерно на 2,25°C к 2070 году и что к 2050 году Арктика больше не будет покрыта льдом круглый год [Будыко, 1972]. (Будыко кратко затронул часть своего прогноза, касающуюся арктических льдов, в статье для Eos 1972 года, которую с тех пор цитировали более 100 раз). Несмотря на уверенность в своей работе, он предупредил, что оценки были сделаны на основе предположений о значительно упрощенной климатаической системе и к ним следует относиться соответственным образом [Будыко, 1972], поэтому его, возможно, удивило бы, насколько точно реальные события совпали с прогнозами.

Сравнивая 2019 год с 1970 годом, Будыко предсказал повышение средней глобальной температуры на 1°C и исчезновение около 50% многолетних льдов в Арктике. Наблюдения подтвердили эти тенденции, продемонстрировав, что средняя глобальная температура за этот период увеличилась на 0,98°C и что площадь многолетних арктических морских льдов в сентябре 2019 года была примерно на 46% меньше, чем в 1970 году (График 1).

Граф.1. Прогнозы Михаила Будыко 1972 года (сплошные серые линии): (а) температура поверхности и (б) изменения в арктических морских льдах. На рисунке (а) тонкая черная сплошная линия показывает средние за 5 лет наблюдения изменений средней глобальной температуры, сделанные Институтом космических исследований Годдарда НАСА для «Анализа температуры поверхности» (версия 4). Пунктирная линия (точки) показывает сценарий «обычного развития событий» Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК); пунктирная линия (дефисы) отражает сценарий МГЭИК при низких выбросах. На рисунке (b) тонкая черная сплошная линия показывает спутниковые наблюдения за изменениями площади многолетних льдов Арктики. Прогноз площади морских льдов был рассчитан на основе первоначальных прогнозов Будыко о средней широте границы морских льдов [Будыко, 1972], предполагая круглую форму многолетнего ледового поля и соотнося эту площадь с показателями 1970 года.

Точность этих прогнозов особенно впечатляет в свете преобладающей неопределенности в современных сложных моделях глобальной циркуляции [Zelinka et al., 2020]. Хотя эти более новые модели учитывают большое количество различных обратных связей в системе атмосфера-лед-океа, примерно до 2009 года большинство моделей динамики арктических морских льдов постоянно недооценивали действительную скорость потери льдов в Арктике в последние несколько десятилетий.

Предсказания для нового тысячелетия

Температурный прогноз Будыко был основан на нескольких работах, включая его собственную модель глобального энергетического баланса [Будыко, 1969], которые были представлены на симпозиуме 1970 года по исследованию воздействия человека на климат (SMIC) [Matthews et al., 1971]. Михаил Иванович, например, ссылался на модель глобального углеродного цикла [Machta, 1972], которая состоит из двух атмосферных и двух океанических слоев, а также разделена на «быстрое» и «медленное» – обращаемые резервуары земного углерода и резервуара углерода морской биоты. Наиболее важным параметром в этой модели была скорость обмена углерода между океаном и атмосферой. Махта вывел этот параметр из наблюдений 1955-1969 годов за судьбой «бомбового» радиоуглерода – изотопов углерода, связанных с испытаниями ядерного оружия, – и предсказал, что в 2000 году концентрация углекислого газа в атмосфере достигнет 375 ± 10 частиц на миллион (ppm). Действительная концентрация, замеренная в Мауна-Лоа на Гавайях и усредненная за 2000 год, составляла 369 частиц на миллион (ppm).

Будыко также ссылался на модель глобальной циркуляции Манабе, в которой использовалась упрощенная топография суши, «океан-болото» без горизонтального или вертикального перемещения тепла и без динамики морских льдов [Manabe, 1971]. Несмотря на эти упрощения, модель учитывала наиболее важные обратные связи, которые влияют на радиационные потоки тепла, включая влияние атмосферную влажность и снежный покров. При фиксированной относительной влажности, эта модель продемонстрировала климатическую чувствительность около 2°C на каждое удвоение концентрации углекислого газа и усиление потепления в высоких широтах в 2 раза по отношению к среднему по планете. Недавние исследования показали, что определенная эмпирически по недавним изменениям температуры неравновесная чувствительность (англ. actual transient sensitivity) климатической системы к радиационному воздействию (избыточная тепловая энергия, которую Земля поглощает от Солнца по сравнению с количеством, излучаемом ею обратно в космос) составляет около 1,8°C на удвоение углекислого газа [Nijsse et al. al., 2020], и что эффект полярного усиления действительно приводит к увеличению температуры полярных областей более чем в два раза по сравнению с глобальной средней скоростью потепления. Та же самая климатическая чувствительность и прогноз концентрации углекислого газа в атмосфере на 2000 г. позволили авторам отчета SMIC прийти к выводу, что к 2000 г. поверхность Земли нагреется примерно на 0,5°C [Matthews et al., 1971]. Этот прогноз был основан только на радиационном воздействии, вызванном меняющимися уровнями углекислого газа. Он не учитывал воздействия метана, закиси азота и озона, однако оказался очень близким к реальности (граф. 1а). Одно из возможных объяснений такой высокой точности заключается в том, что прогноз также не учитывал охлаждающий эффект (отрицательное радиационное воздействие), создаваемый аэрозольными частицами в атмосфере, который возможно и скомпенсировал отсутствие в том прогнозе других парниковых газов.

100-летний прогноз

В 1972 году Будыко пошел дальше этих предыдущих исследований и опубликовал свой прогноз глобального потепления до 2070 года [Будыко, 1972]. До определенной степени его прогноз был продолжением прогноза SMIC, но он уже основывался на другой, более высокой скорости глобального потепления. Будыко оценил эту новую скорость с помощью простых расчетов, которые предполагали линейную зависимость между годовым темпом роста мирового производства энергии и температурой поверхности Земли. Например, Будыко предположил, что ежегодное увеличение темпов глобального потребления первичной энергии возрастет после 2000 г. примерно в 1,5 раза, или с 4% в начале 1970-х годов до 6% после 2000 года, что должно было привести к расчетной скорости глобального потепления 0,25°C за десятилетие вместо 0,5°C за 30 лет с 1970 по 2000 (т.е. примерно 0,17°C за десятилетие), предсказанной в отчете SMIC [Будыко, 1972]. Будыко не дал детального объяснения своим расчетам об увеличении потребления энергии в 1,5 раза, но написал, что темпы потребления энергии неизбежно возрастут, возможно, достигнув 10% в год в течение 21 века [Будыко, 1972].

С 1970 по 1999 год средняя глобальная температура действительно повышалась на 0,17°C за десятилетие, а после 2000 года этот показатель вырос до 0,25°C за десятилетие [GISTEMP Team, 2020] (График 1a). Однако в течение последних нескольких десятилетий годовое потребление первичной энергии росло только примерно на 2,9% в год [BP, 2019]. Очевидно, Будыко переоценил относительную скорость роста потребления первичной энергии, но правильно угадал пропорцию увеличения абсолютной скорости, с которой энергия потреблялась до и после 2000 г, а также соответствующее повышение температуры. С 1970 по 1999 год, абсолютный рост энергопотребления составлял 15 петаватт-часов (ПВтч) за десятилетие, а с 2000 по 2019 год – 25 ПВтч за десятилетие [BP,2019], что соответствует его увеличению примерно в 1.6-1.7 раза. В течение этих периодов времени, отношение тренда температуры к увеличению потребления первичной энергии было почти одинаковым: 0,011°C/PWh для 1970–1999 годов и 0,010°C/PWh для 2000–2019. Иными словами, предположение Будыко о линейном характере влияния энергопотребления на температуру оказалось очень близко к реальности.

Почему линейная зависимость работает

Этот почти линейный отклик глобальной температуры на увеличение потребления энергии может быть объяснен несколькими линейными зависимостями внутри системы энергия-углерод-климат. Во-первых, необходимо учитывать, что около 87% мирового спроса на энергию по-прежнему удовлетворяется за счет ископаемых видов топлива [BP, 2019], поэтому линейная зависимость между потреблением энергии и выбросами углерода по-прежнему существует, несмотря на рост использования альтернативных источников энергии за последние 50 лет.

Во-вторых, доля антропогенного углерода, который остается в атмосфере, на протяжении всего ХХ века, была почти постоянной и составляла около 45%.

В-третьих, логарифмическая связь между изменениями радиационного баланса и концентрацией углекислого газа в атмосфере, с хорошей долей точности примерно в 10%, может быть заменена простой линейной функцией в диапазоне от 320-580 ppm.

В-четвертых, до недавнего времени основным фактором увеличения глобального радиационного воздействия был рост количества углекислого газа в атмосфере и связанные с этим обратные связи внутри климатической системы. И в-пятых, модель энергетического баланса Будыко показывает линейный ответ средней глобальной температуры на небольшие (до 1%) отклонения радиационного баланса [Будыко, 1969]. В результате всех этих линейных взаимодействий внутри сложной климатической системы окончательная зависимость роста температуры от потребления энергии оказаласть приблизительно линейной.

Однако Будыко считал, что его прогноз 1972 года может недооценивать тенденции потепления. Его беспокоило, что чувствительность климата к удвоению атмосферной концентрации СО2 которую он позаимствовал из ранних работ Манабе [1971], была получена без учета положительной обратной связи между повышением температуры и сокращением полярного ледяного покрова.

Кроме этого, он ожидал увидеть более значительный непосредственный вклад в увеличение температуры от выбросов тепла, высвобождаемого при сжигании ископаемого топлива. Как мы знаем теперь, эти потоки энергии служат важным фактором в формировании климата крупных городов – таких как Москва, Нью Йорк, Токио и других, – где температура как зимой, так и летом часто бывает на несколько градусов по Цельсию выше. чем в пригородах. Происходит это за счет теплового загрязнения, вызванного отоплением домов в холодный сезон, а также их охлаждением в теплое время года. Вместе с тем в глобальном масштабе эффект этих потоков энергии от сжигания топлива был очень слабым в 1970 году и остается примерно на таком же уровне сейчас составляя не более 0,1 Вт на квадратный метр [BP, 2019]. Это довольно малая величина – особенно если ее сравнивть с современным нарушением глобального радиационного баланса, вызванного парниковыми газами и составляющим около 2,3 Вт на квадратный метр.

Примерно через 20 лет после того, как Будыко опубликовал свой прогноз в 1972 году, два похожих сценария, названные сценарий A (при высоких выбросах) и сценарий B (при средних выбросах), были опубликованы в первом отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Эти сценарии, которые теперь называются сценариями Pепрезентативных траекторий концентрации (РТК) РТК 8.5 и РТК 6.0, соответственно, существуют в недавних отчетах МГЭИК. Сценарий A, который называется «обычное развитие событий», предполагает углеемкое энергоснабжение, продолжающееся обезлесение, нерегулируемые выбросы метана и закиси азота в сельском хозяйстве и только частичное выполнение Монреальского протокола, который регулирует выбросы химических соединений, разрушающих озоновый слой. Этот сценарий предполагает повышение средней глобальной температуры от 0,2°C до 0,5°C за десятилетие (в среднем на 0,3°C за десятилетие). Сценарий B подразумевал сдвиг в сторону более широкого использования природного газа, значительное повышение энергоэффективности, строгий контроль над монооксидом углерода, обратные тенденции в сфере обезлесении и полное выполнение Монреальского протокола. В итоге сценарий B предсказывал более низкое повышение средней глобальной температуры поверхности – на 0,2°C за десятилетие. При таком разбросе темпов потепления, предсказанных МГЭИК в 1990 г, прогноз Будыко 1972 г оказывается как раз посередине этого диапазона (граф. 1a)

Модель арктических льдов

Будыко сделал свой прогноз для многолетних арктических морских льдов (льды, которые не тают ежегодно) на основе полуэмпирической модели энергетического баланса процесса замерзания и таяния морских льдов (граф. 1b) [Будыко, 1966]. Он предположил, что совокупный годовой дрейф плавучих льдов из Арктики через пролив Фрама и Берингов пролив – один из наиболее важных параметров его модели – будет постоянным с течением времени. Будыко подсчитал, что эквивалентный объем жидкой воды в этих дрейфующих льдах составляет около 2000 кубических километров в год [Будыко, 1966]. Совмещенные современные модели динамики льдов и спутниковых данных демонстрируют, что в период между 2010–2016 годами ежегодный выход льда через пролив Фрама к востоку от Гренландии варьировался от 1 970 до 2 400 кубических километров [Min et al., 2019] (выход через Берингов пролив был значительно меньше, и в этой оценке им можно пренебречь). Таким образом, средний отток льда из Арктики, по данным современных наблюдений и моделирования, составил около 2200 кубических километров в год – объем, который всего лишь на 10% больше, чем по оценке Будыко 1972 года.

Будыко понимал, что температура будет повышаться быстрее в Арктике, нежели на более низких широтах, и что это так называемое полярное усиление ускорит таяние арктических льдов. Он подсчитал, что при аномалии арктической температуры на 4°C по сравнению с 1970 годом слой льда толщиной 4 метра в центральной части Арктики должен исчезнуть примерно за 4 года [Будыко, 1966]. А при полярном усилениии с фактором 2, т.е. с потеплением в Арктике вдвое выше среднего глобального потепления, получалось, что аномалия в 4°C в Арктике должна быть достигнута к 2050–2060 гг., когда средняя глобальная температура будет на 2°C выше, чем в 1970 году. (График 1а). Сегодняшние климатические модели, построенные по сценариям РТК 8.5 и РТК 6.0, предсказывают, что первое лето без льдов, вероятно, наступит где-то между 2042 и 2054 годами [Peng et al., 2020].

Наиболее реалистическое видение «обычного развития событий»

Сегодня антропогенные выбросы углерода остаются высокими. Чтобы избежать потепления на 1,5° к 2060 году (по сравнению с доиндустриальным уровнем), глобальные выбросы необходимо сокращать на 7% в год, начиная с сегодняшнего дня [Höhne et al., 2020]. Для сравнения, ожидается, что пандемия COVID-19 и связанные с ней локдауны приведут к временному снижению годовых выбросов углерода на 4–7% в 2020 году [Le Quéré et al., 2020]. Предыдущие кризисы, такие как мировой финансовый кризис 2008–2009 годов и нефтяной кризис начала 1970-х, также временно снижали выбросы углерода, но эти показатели всегда восстанавливались после завершения очередного кризиса и часто превосходили свои докризисные значения. То же самое, вероятно, произойдет и после нынешней пандемии, поскольку низкие цены на нефть и меры по восстановлению экономики стимулируют рост потребления.

Вне зависимости от таких кратковременных спадов и всплесков выбросов, даже если бы мы перестали сжигать все ископаемое топливо уже сегодня, Земля продолжала бы нагреваться на несколько десятых градуса в столетие в течение столетия или дольше из-за накопленной термальной энергии в океане и из-за пониженного охлаждающего эффекта аэрозолей, которые довольно быстро прекратят поступать в атмосферу после остановки процесса сжигания ископаемого топлива. Однако реальное повышение температуры, вероятно, будет интенсивнее, чем это остаточное потепление от прошлых выбросов. Например, в ранних сценариях МГЭИК не учитывались такие источники, как диффузия через толщу воды метана, высвобождаемого при разогреве донных отложений на дне Северного Ледовитого океана, или выброс метана в результате резкого таяния вечной мерзлоты.

В основе сценария «обычного развития событий» МГЭИК лежит отсутствие каких-либо политических или экономических действий по контролю над выбросами. Однако за последние 30 лет мир стал более взаимосвязанным, осознал печальные последствия глобального потепления и предпринял несколько практических шагов по сокращению выбросов углерода. Поэтому недавно было предложено рассматривать современную версию РТК 8.5 как наихудший сценарий [Hausfather and Peters, 2020]. И все же, скажем, естественные выбросы метана из Арктики или потенциально быстрое увеличение выбросов углерода вследствие дешевой нефти и других ископаемых видов топлива после COVID-19 могут привести к даже худшему сценарию развития событий.

Оглядываясь на предыдущие 20 лет, мы видим, что средняя глобальная температура продолжает повышаться на 0,25°C за десятилетие, совпадая с прогнозом Будыко. Заглядывая вперед, можно сделать множество различных прогнозов и, например, предположить, что температурные тенденции могут ухудшиться, если мир пойдет по наихудшему РТК сценарию, или они могут немного улучшиться, если обещанные политические решения и будущие технологии сделают возможной интенсивную декарбонизацию экономики путем ее перевода на альтернативные источники энергии. На настоящий момент, однако, мы не видим дешевых и безболезненных методов такого перехода. Возможно, в будущем нам придется прибегнуть к использованию «покрывала Будыко» из аэрозолей в стратосфере для охлаждения планеты. Однако такие геоинженерные проекты всегда сопряжены с риском того, что природа отреагирует на внешнее воздействие не так, как мы ожидали. Радикальные проекты по контролю климата необходимо разрабатывать и дальше, но их осуществление стоит придержать да момента, когда более простые методы митигации перестанут приносить желаемые результаты. Поэтому в перспективе ближайшего десятилетия или даже двух десятилетий наиболее вероятным кажется сохранения существующих тенденций роста атмосферной концентрации углекислого газа и температуры точно как и предсказывал Будыко в 1972 году.

Литература

BP (2019), BP statistical review of world energy, 68th ed., London, www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2019-full-report.pdf.

Budyko, M. I. (1966), On the possibility of changing climate by action on the polar ice, in Contemporary Problems of Climatolog [in Russian], pp. 347–357, Gidrometeoizdat, St. Petersburg, Russia.

Budyko, M. I. (1969), The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth, Tellus, 21, 611–619, https://doi.org/10.3402/tellusa.v21i5.10109.

Budyko, M. I. (1972), Man’s Impact on Climate [in Russian], Gidrometeoizdat, St. Petersburg, Russia.

GISTEMP Team (2020), GISS Surface Temperature Analysis (GISTEMP), version 4, accessed 3 Mar. 2020, NASA Goddard Inst. for Space Stud., New York, data.giss.nasa.gov/gistemp/.

Hausfather, Z., and G. P. Peters (2020), Emissions – the ‘business as usual’ story is misleading, Nature, 577, 618–620, https://doi.org/10.1038/d41586-020-00177-3.

Höhne, N., et al. (2020), Emissions: World has four times the work or one-third of the time, Nature, 579, 25–28, https://doi.org/10.1038/d41586-020-00571-x.

Le Quéré, C., et al. (2020), Temporary reduction in daily global CO2 emissions during the COVID-19 forced confinement, Nat. Clim. Change, 10, 647–653, https://doi.org/10.1038/s41558-020-0797-x.

Machta, L. (1972), The role of the oceans and biosphere in the carbon dioxide cycle, in The Changing Chemistry of the Oceans: Proceedings of the Twentieth Nobel Symposium Held 16–20th August, 1971 at Aspenasgarden, Lerum and Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, edited by D. Dyrssen and D. Jagner, pp. 121–145, Wiley Intersci. Div., Stockholm.

Manabe, S. (1971), Estimates of future change of climate due to the increase of carbon dioxide concentration in the air, in Man’s Impact on the Climate: Report of the Study of Man’s Impact on Climate (SMIC), edited by W. H. Matthews, W. W. Kellogg, and G. D. Robinson, pp. 249–264, MIT Press, Cambridge, Mass.

Matthews, W. H., W. H. Kellogg, and G. D. Robinson (Eds.) (1971), Inadvertent Climate Modification: Report of the Study of Man’s Impact on Climate (SMIC), MIT Press, Cambridge, Mass.

Min, C., et al. (2019), Sea ice export through the Fram Strait derived from a combined model and satellite data set, Cryosphere, 13, 3,209–3,224, https://doi.org/10.5194/tc-13-3209-2019.

Nijsse, F. J. M. M., P. Cox, and M. Williamson (2020), An emergent constraint on transient climate response from simulated historical warming in CMIP6 models, Earth Syst. Dyn., 11, 737–750, https://doi.org/10.5194/esd-11-737-2020.

Peng, G., et al. (2020), What do global climate models tell us about future Arctic sea ice coverage changes?, Climate, 8, 15, https://doi.org/10.3390/cli8010015.

Zelinka, M. D., et al. (2020), Causes of higher climate sensitivity in CMIP6 models, Geophys. Res. Lett., 47, e2019GL085782, https://doi.org/10.1029/2019GL085782.