Возможные причины колебаний интенсивности глобального гидрологического цикла

До сих пор рассматривались осредненные за многолетний период характеристики интенсивности процессов, образующих ГГЦ, что позволило представить главные, наиболее крупномасштабные закономерности круговорота водных масс и содержащихся в них веществ и энергии на Земле. Но эти значения получены путем многократного пространственно-временного осреднения скоростей и мощности этих процессов, колебания которых имеют преимущественно квазициклический характер. Он изначально обусловлен внутрисуточными и сезонными колебаниями притока солнечной энергии на различные широты суши и океанической акватории. Но частота и амплитуда этих колебаний непрерывно деформируются вследствие разнообразия местных географических условий взаимодействия океанического и континентального звеньев ГГЦ и целого ряда других, пока менее очевидных космогенных и, возможно, антропогенных причин.

Впервые на внутривековую изменчивость осредненных за год величин метеорологических характеристик обратил внимание в конце XIX в. немецкий географ и климатолог Э. Брикнер {Bruckner), опубликовавший ряд работ о 35-летнем периоде колебаний климата, названном брикнеровым циклом внутривековых колебаний увлажненности континента. Затем были выявлены вековые и многовековые циклические колебания климата, стока рек и уровня озер. Эти колебания состоят в чередовании прохладных и многоводных сравнительно коротких и быстро развивающихся фаз трансгрессии водных масс при подъеме уровня воды в озерах, сопровождающемся увеличением их акватории, и более теплых и засушливых маловодных регрессивных фаз.

На фоне колебаний брикнерова цикла статистическим методом скользящего осреднения многолетних рядов среднегодовых значений стока отдельных рек, уровня многих озер и других гидроклиматических характеристик получены более короткопериодные циклы внутривековых колебаний увлажненности, сходные с 11-летним и 5 — 6-летним циклами солнечной активности, характеризуемой числами Вольфа (А. В. Шнитников, 1969). Обнаруживаются и многолетние изменения в положении стрежня Куросио, периодически смещающегося на 5° то к северу, то снова к югу. На эти долгопериодные колебания накладывают более короткопериодные 2 — 5-летние его смещения на 1 — 2°, аналогичные наиболее распространенным многолетним колебаниям величины годового стока рек.

Годовое значение числа Вольфа (этот показатель предложен швейцарским астрономом Р. Вольфом в 1848 г.) подсчитывается по числу пятен и их групп на Солнце, которые возникают в течение года в результате выбросов коронарной плазмы.

Современные исследования солнечной активности показывают, что колебания солнечной радиации в течение 11-летнего цикла слишком малы (в пределах 0,1%) для значимого прямого влияния на изменчивость климатообразующих процессов. В то же время допускается возможность косвенного влияния на них генерируемых солнечной активностью вариаций интенсивности магнитного потока, потока элементарных частиц солнечного ветра и других видов излучения нашей звезды. Одновременно выдвигается гипотеза о том, что цикличность солнечной активности есть следствие изменения силового взаимодействия с Солнцем движущихся по своим орбитам планет Юпитера и Сатурна, которое деформирует солнечную орбиту с почти 12- и 60-летним периодами [3].

Однако имеется и гипотеза о вероятности возникновения колебаний интенсивности энергообмена в ГГЦ, а следовательно, и водообмена между Мировым океаном и сушей при неизменности внешнего энергетического воздействия на географическую оболочку Земли. В конце 60-х годов XX в. была разработана математическая модель (В. Я. Сергин, С. Я. Сергин, 1978), в которой в общем виде описывается взаимодействие океана, суши и атмосферы в форме двух одновременно действующих цепочек причинноследственных связей процессов трансформации энергии в ГГЦ.

Первая из них характеризует процессы, которые возникают в результате охлаждения земной поверхности: происходит рост площади ледяного покрова Р_л, что увеличивает меридиональный градиент температуры АТ/Ах. Следовательно, должно происходить увеличение меридионального градиента атмосферного давления АР/Ах, а значит, и увеличение скорости ветра U. Это, в свою очередь, усиливает испарение Е с воды и с суши, что влечет за собой увеличение облачности и рост альбедо Земли Л₃, а поэтому и уменьшение температуры земной поверхности I Эта цепочка выглядит так:

Вторая цепочка обеспечивает прогрессивное накопление тепла земной поверхностью: рост ее температуры ведет к увеличению поглощения паров воды в атмосфере без их конденсации и образования облаков и осадков, а также к усилению эвазии (выделения в атмосферу) С0₂ из водных масс Мирового океана. Это увеличивает оранжерейный эффект атмосферы, интенсифицирует ее встречное излучение, что повышает температуру земной поверхности и т. д.

Если в начальный момент допустить неравенство среднему многолетнему значению хотя бы одного компонента в одной из этих цепочек, модель воспроизводит незатухающие автомодельные колебания значений F_n и Т с периодом около 75 тыс. лет с амплитудой Г=±3°Си /^г_л = ±2−10¹⁵т льда, что примерно соответствует 2 тыс. км³ морского льда, или *1 млн км², т. е. вариации в пределах около ± 4% площади современного океанского ледяного покрова. Принятая в модели нелинейность зависимости F_n=f (s T) объясняется замедлением замерзания соленой морской воды в высоких широтах с увеличением ее охлаждения вследствие зимнего все более глубокого конвективного перемешивания верхнего слоя океана. Если же пренебречь нелинейностью этой связи, то колебания в модели глобального энергообмена затухают.

Обратная связь между колебаниями обобщенного уровня Мирового океана и увлажненностью суши получена Р. К. Клиге (1985), использовавшего в качестве показателя увлажненности обобщенный уровень крупнейших бессточных озер мира в период 1881 — 1980 гг. Коэффициент корреляции ежегодных значений этих уровней г=-0,92. Связь наиболее статистически значима при сдвиге коррелируемых величин на 13 лет вследствие запаздывания реакции уровня Мирового океана на убыль континентальных водных ресурсов. По-видимому, их сокращение возможно лишь путем увеличения атмосферного стока. Эти изменения рассматривают как направленный тренд, ведущий к сокращению водных ресурсов суши [7]. Его ассоциируют с антропогенными изменениями климата и интенсификацией испарения в XX в. вследствие невосполняемого отбора подземных вод, дополнительного испарения с водохранилищ и развития орошения. Отсутствие отрицательного тренда в речном стоке объясняют компенсацией возрастающего испарения с суши усиливающимся таянием ледников.

Эту гипотезу опровергают исследования С. Г. Добровольского (1991), разработавшего стохастическую балансовую модель ГГЦ. Ее основу составляют три взаимосвязанных (вследствие замкнутости ГГЦ) уравнения водного баланса океана, суши и ледниковых щитов, преобразованные в сводное уравнение водного баланса океанического и континентального звеньев ГГЦ, составляющие которого измеряют в км³/год:

где ДЛ/_{М о}— изменение массы воды в Мировом океане; А_л>ш и Р_л щ — айсберговый сток с ледниковых щитов и атмосферные осадки на них: Q_C1 Р_с и Е_с— водный сток рек, атмосферные осадки и испарение на остальной суше.

Исследование этой модели привело к следующим основным выводам:

• • из всех составляющих уравнения (1.2) наиболее достоверна оценка речного стока в Мировой океан Q_CJ которая выполнена по данным наблюдений длительностью не менее 40 лет в 344 створах. Они замыкают речные системы области внешнего стока, в которых отсутствует озерное регулирование руслового стока;
• • авторегрессионный анализ этих рядов годового стока показал малую скоррелированность их смежных величин: г (1) = 0,18, а г (2) = 0,04. При этом даже эта малая связность не есть проявление связности двух других составляющих водного баланса водосборов — Р_с и Е_с. Она имеется благодаря регулирующей роли увлажненности речного бассейна, проявляющейся в 2,5 раза большей скоррелированности колебаний минимальных расходов смежных лет (г (1) = 0,45), характеризующих питание реки почти исключительно водами грунтового генетического типа;
• • для отдельных речных бассейнов скоррелированность смежных величин стока увеличивается в зависимости от роста расхода в реке и размера ее водосбора, но для регионов, площадь которых превышает крупнейшие речные бассейны, и материков скоррелированность суммарного стока мала, как и для осреденных величин Р_с и Е_с = Р_с- (2_С. В то же время скоррелированность межгодовых колебаний величины средней глобальной температуры воздуха велика: /•(1) = 0,8 — из-за большого теплозапаса Мирового океана;
• • тренд стока с суши, с отдельных материков, с океанических водосборов и в областях внутреннего стока не превышает средних ошибок оценки математического ожидания.

Перечисленные особенности статистики многолетних гидрометеорологических рядов, полученных за период инструментальных наблюдений показателей глобального тепловлагообмена, послужили основанием считать их аномалии (т.е. ежегодные отклонения от среднего значения соответствующего ряда) «белым шумом» — стационарной последовательностью некоррелированных по времени случайных величин. Это заключение относится и к ряду ледникового стока Гренландии. Таким образом, причиной нестационарного изменения обобщенного уровня Мирового океана, особенно заметные в 1930—1970 гг. [7], и массы воды в нем могут быть стационарные пульсации глобальных потоков влаги в результате алгебраического суммирования аномальных и равновероятных порций влаги, поступающих с суши (или испаряющихся с акватории Мирового океана). Роль накопителя (интегратора) белошумовых аномальных порций влаги играет Мировой океан.

Необходимым условием этого нестационарного процесса служит отсутствие обратных связей между запасом воды в интеграторе и ее расходом из него. Действительно, с крайне малым ростом уровня в океанах приращение площади испаряющей поверхности в них ничтожно. Аналогичную роль играют и ледниковые щиты — неисчерпаемые источники айсбергов. Изменение запаса льда в щитах не зависит ни от осадков на них, ни от ледникового стока из-за водообмена щитов, почти в 4 раза меньшего по сравнению с водообменом Мирового океана [4].

Среднее приращение обобщенного уровня Мирового океана с 1885 по 1980 г. составляло менее 1 мм/год, но этот ряд не содержит, по оценке С. Г. Добровольского, статистически значимого тренда, что не подтверждает гипотезу антропогенного потепления климата в XX в., причиной которого могло стать загрязнение атмосферы углекислым газом и усиление этим оранжерейного эффекта. Противоречат этой гипотезе и свидетельства других исследователей о том, что одинаковое по знаку изменение температуры на всем земном шаре в 1960—1980 гг., когда этот эффект (так называемый С0₂-сигнал) мог проявиться в наибольшей степени, отсутствовало.

Итак, предположение об антропогенном изменении климата Земли, а следовательно, и о нарушении устойчивости существующего уже несколько тысяч лет стационарного состояния ГГЦ со стохастически колеблющимся тепловлагообменом между океанами, сушей и полярными ледяными покровами, еще не имеет достаточно аргументированного подтверждения данными глобального гидрометеорологического мониторинга.

В завершение обзора современных представлений о структуре и функционировании глобального гидрологического цикла важно отметить следующее:

• 1. ГГЦ состоит из множества локальных (над водоемами и их побережьями, равнинами и горами, полями и лесами, городами и пригородами и т. д.) взаимосвязанных циклов трансформации генетически и качественно различных водных масс в составе океанического и континентального звеньев (подциклов), объединяемых в единое целое этапами глобального переноса воздушных масс в атмосфере и стоком водных масс с суши в Мировой океан. Немецкий гидролог Р. Келлер (1965) образно сравнивает глобальный влагооборот с часовым механизмом, приводимым в движение солнечной энергией.
• 2. Влагонасыщенные воздушные массы — своеобразная форма проявления водных масс в тропосфере.
• 3. Сток, представляющий собой континентальный этап ГГЦ, формируется сочетанием трех генетических типов вод: склоновых, почвенных и грунтовых, из которых образуются качественно различные речные и озерные водные массы.
• 4. Суммарный солевой сток включает морские аэрозоли (примерно 16% ионного состава речной воды) и растворенные вещества континентального происхождения, образующиеся из местных аэрозолей и при выщелачивании почв и грунтов. Поэтому оценки химической денудации суши по величине ионного стока дают завышенную скорость этого процесса.
• 5. Минерализация стекающих с суши вод возрастает вдвое вследствие испарения, достигая в среднем почти 80 мг/л. Она на порядок больше по сравнению с минерализацией океанических атмосферных осадков.
• 6. На каждом этапе ГГЦ состав вод трансформируется вплоть до метаморфизации на стыке этапов. Метаморфизация вещественной структуры природных вод происходит не только в природных циклах круговорота воды и веществ, но и в производственных циклах. Это явление в природе включает процессы, обеспечивающие самоочищение воды и восстановление качества водных ресурсов.
• 7. Современные колебания интенсивности процессов в ГГЦ, определяющие изменчивость погоды, стока и его состава, — исключительно многофакторное и еще недостаточно изученное явление, обусловленное сочетанием энергетического взаимодействия Земли с космосом и трансформацией солнечной энергии преимущественно водой во всех геосферах.
• 8. Мировая проблема водообеспечения человечества — не в недостатке воды на Земле. Устранение ее дефицита в аридных и урбанизированных регионах должно базироваться на разумном управлении интенсивностью отдельных звеньев ГГЦ, на всемерном усилении самоочищения воды. При таком управлении водными ресурсами физическое испарение и транспирация служат дополнительным источником пресной и чистой воды.