Роль борьбы с загрязнением в скачке глобального потепления переоценена: новые выводы о тепловом дисбалансе

В последние два десятилетия энергетический дисбаланс Земли очень сильно вырос. Планета поглощает значительно больше солнечной радиации, чем излучает обратно в космос. Научное сообщество связывало это явление с эффектом от экологической политики: считалось, что снижение промышленных выбросов сделало атмосферу прозрачнее, что лишило Землю экранирующего слоя. Но исследование, опубликованное в журнале Science Advances, это опровергло. Анализ спутниковых данных за 2003-2023 годы показывает, что вклад изменений концентрации аэрозолей в этот процесс пренебрежимо мал.

Энергетический дисбаланс Земли — это геофизический показатель, определяющий состояние климатической системы. Он представляет собой разницу между потоком приходящей солнечной энергии и потоком уходящего тепла. Если этот баланс положительный, тепловая энергия накапливается в океанах, атмосфере и грунте, что приводит к росту глобальных температур.

Наблюдения последних 20 лет показывают значительное увеличение этого дисбаланса. Причиной стало не столько удержание тепла парниковыми газами, сколько увеличение поглощения именно солнечного света. Основным объяснением этого процесса до сих пор служила гипотеза о «штрафе за чистый воздух». Согласно расчетам климатических моделей (в частности, в рамках проекта CMIP6), очищение атмосферы от антропогенных аэрозолей (сажи, сульфатов) над промышленными регионами Северного полушария привело к снижению отражающей способности планеты.

Исследование ученых Чана Пака и Брайана Содена из Университета Майами демонстрирует, что реальная картина существенно сложнее модельных прогнозов. Сопоставление данных наблюдений и реанализа выявило механизм глобальной компенсации, который ранее не учитывался в достаточной мере.

Противоречие между моделью и наблюдением

В основе работы лежит детальный анализ радиационных потоков. Ученые использовали данные спутниковой системы CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) и массив данных атмосферного реанализа MERRA-2. Это позволило разделить вклад различных факторов: облачности, альбедо поверхности, водяного пара и непосредственно аэрозолей.

Климатические модели, использовавшиеся для прогнозов ранее, предполагали, что снижение выбросов в Северном полушарии станет доминирующим фактором. По этим оценкам, уменьшение концентрации аэрозолей ответственно примерно за 50% роста поглощенной солнечной радиации. Модели строили свои прогнозы на сценариях, где человечество планомерно сокращает загрязнение воздуха.

Но вот наблюдательные данные показали иное. В глобальном масштабе тренд радиационного воздействия аэрозолей оказался близким к нулю. Это означает, что просветление атмосферы над одними регионами не привело к глобальному эффекту, поскольку было нейтрализовано процессами в других частях планеты.

Механизм межполушарной компенсации

Исследователи выявили географическое разделение процессов, влияющих на прозрачность атмосферы.

1. Северное полушарие: антропогенный спад. Над Восточной Азией, Северной Америкой и Европой действительно зафиксировано значительное снижение оптической плотности аэрозолей. Это прямой результат экологического регулирования, направленного на уменьшение выбросов диоксида серы и твердых частиц угольными электростанциями и промышленностью. Снижение концентрации сульфатов в тропосфере привело к тому, что солнечный свет стал меньше рассеиваться, достигая поверхности Земли.

2. Южное полушарие: природный рост. В то время как Северное полушарие очищалось, в Южном полушарии наблюдался резкий рост концентрации аэрозолей естественного происхождения. Основными источниками стали экстремальные природные явления:

• Масштабные лесные пожары в Австралии в сезон 2019-2020 годов.
• Извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в 2022 году.

Они выбросили в атмосферу гигантские объемы дыма, пепла и сульфатных газов. Подхваченные западными ветрами над Южным океаном, аэрозольные шлейфы распространились на огромные территории, вплоть до юго-восточной части Тихого океана.

Так возник эффект компенсации: снижение отражающей способности атмосферы на севере было уравновешено ее повышением на юге. Глобальное количество солнечной энергии, отражаемое аэрозолями обратно в космос, практически не изменилось.

Физика взаимодействия аэрозолей и облаков

Главный вклад аэрозолей в климатический баланс осуществляется не через прямое блокирование света, а через взаимодействие с облаками. Аэрозольные частицы выступают в роли ядер конденсации, на которых образуются облачные капли.

Физический механизм этого процесса описывается эффектом Туоми:

1. При высокой концентрации аэрозолей влага в облаке распределяется по множеству мелких капель.
2. Такое облако имеет большую суммарную площадь поверхности капель и, следовательно, более высокое альбедо (отражающую способность).
3. При снижении концентрации аэрозолей капли становятся крупнее, но их количество уменьшается. Такое облако становится более темным для внешнего наблюдателя и пропускает больше радиации.

Исследование подтвердило работу этого механизма на региональном уровне. Над промышленными районами Севера снижение числа частиц привело к уменьшению яркости облаков (положительный радиационный эффект). Однако над океанами Южного полушария приток вулканических и пирогенных частиц вызвал обратный процесс — облака стали ярче и начали активнее отражать свет (отрицательный радиационный эффект).

Методологическая надежность

Для исключения ошибок интерпретации авторы проверили свои выводы, используя два различных показателя концентрации аэрозолей:

1. Аэрозольный индекс, получаемый непосредственно со спутников MODIS.
2. Массовая концентрация сульфатов, рассчитанная в моделях реанализа.

Оба метода показали согласованные результаты: снижение антропогенной нагрузки на севере компенсируется природными выбросами на юге. Ученые также провели тесты на чувствительность данных, исключив периоды дрейфа орбит спутников и сами экстремальные события, чтобы убедиться, что выводы справедливы для долгосрочного тренда. Даже в усеченном временном интервале (2003-2018) тенденция к компенсации сохранялась, хотя и была менее выраженной без учета последних крупных катастроф.

Почему модели ошиблись?

Расхождение между прогнозами моделей CMIP6 и реальностью объясняется тем, что модели работают на основе сценарных прогнозов. Они корректно учитывают запланированное снижение промышленных выбросов, но не способны предсказывать случайные события, такие как извержения вулканов или конкретные сезоны катастрофических пожаров.

Модели предполагали сценарий, где аэрозольная нагрузка падает глобально. В реальности же климатическая система столкнулась с непредвиденным вбросом вещества в атмосферу Южного полушария. Это подчеркивает серьезную проблему климатического моделирования: сложность учета факторов естественной изменчивости, которые могут существенно корректировать антропогенное воздействие на коротких (в климатическом масштабе) отрезках времени.

Значение для понимания климатических процессов

Если суммарный вклад аэрозолей в рост энергетического дисбаланса близок к нулю, значит, наблюдаемый избыток энергии обусловлен другими факторами.

Вероятнее всего, рост поглощения солнечной энергии связан с:

1. Естественной изменчивостью океанических и атмосферных циклов (например, Тихоокеанской декадной осцилляцией), которые меняют структуру облачности независимо от загрязнения воздуха.
2. Облачными обратными связями. По мере потепления планеты облачный покров меняется таким образом, что его отражающая способность падает. Например, сокращается площадь низких слоистых облаков над океанами, которые эффективно отражают свет.

Ранее часть ускоренного нагрева можно было списать на временный и технический эффект «очищения воздуха». Теперь становится очевидным, что система накапливает тепло из-за внутренних реакций на парниковый эффект, и эти реакции могут быть более интенсивными, чем предполагалось. Отсутствие охлаждающего влияния аэрозолей в прошлом означает, что чувствительность климата к углекислому газу может быть выше, а роль облаков в усилении потепления — значительнее.

Источник: Science Advances