ЭНЕРГЕТИКА И ПРИРОДА КЛИМАТА: ЕСТЬ ЛИ ШАНС ОСТАНОВИТЬ ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ? Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.583

DOI 10.46920/2409-5516_2021_4158_12

Энергетика и природа климата: есть ли шанс остановить глобальное потепление?

Energy and natural climate factors: if there is a chance to stop global warming?

о

СЦ <

Владимир КЛИМЕНКО Руководитель лаборатории глобальных проблем энергетики, МЭИ, ИЭИ РАН e-mail: nilgpe@mpei.ru

Александр КЛИМЕНКО

Главный научный сотрудник, МИСиС

e-mail: nilgpe@mpei.ru

Алексей ТЕРЕШИН

Ведущий научный сотрудниклаборатории глобальных проблем энергетики, МЭИ e-mail: nilgpe@mpei.ru

Ольга МИУШИНА

Старший научный сотрудниклаборатории глобальных проблем энергетики, МЭИ, ИЭИ РАН

e-mail: nilgpe@mpei.ru

Vladimir KLIMENKO

Head, Global Energy Problems Laboratory National Research University Moscow Power Engineering Institute, Energy Research Institute of the Russian Academy of Sciences e-mail: nilgpe@mpei.ru

Alexander KLIMENKO Principal Researcher National University of Science and Technology MISIS e-mail: nilgpe@mpei.ru

Alexey TERESHIN Leading Researcher e-mail: nilgpe@mpei.ru

Olga MIKUSHINA Senior Researcher e-mail: nilgpe@mpei.ru

Аннотация. Исторический подход к прогнозированию мировой энергетики способен давать полезные результаты на временных горизонтах глубиной в несколько десятилетий. Генетический прогноз предполагает стабилизацию глобального потребления энергии на уровне в 30 млрд тонн условного топлива и повышение концентрации диоксида углерода почти до 500 млн1 к концу нынешнего столетия. С исторической точки зрения реализация наиболее агрессивных сценариев антропогенного воздействия 1РСС представляется маловероятной. Тем не менее, объемы выбросов парниковых газов при реализации генетического прогноза развития мировой энергетики не предотвращают повышение глобальной температуры на 2 градуса по сравнению с доиндустриальной эпохой. Расчеты на модели климата показывают, что ожидаемое в ближайшие 10-15 лет замедление глобального потепления будет вызвано противодействием естественных факторов, в первую очередь, снижением солнечной активности и переходом главных циркуляционных индексов в очередную отрицательную фазу. Предполагается, что потепление возобновится в следующем десятилетии, но с меньшими, чем в последние 30 лет, скоростями. Ключевые слова: энергетика, эмиссия, диоксид углерода, концентрация, исторический подход, климатическая модель, природные факторы, прогноз, сценарии, атмосфера, климат.

<

Abstract. Historical approach to the world energy forecasting can provide useful results on extended time horizons several decades deep. The genetic forecast assumes the global energy consumption cap at 30 billion tons of coal equivalent and carbon dioxide concentration further rise to nearly 500 ppm by the end of this century. From a historical point of view, the implementation of the most aggressive IPCC scenarios of anthropogenic impact seems unlikely. Nevertheless, the scale of greenhouse gas emissions with the implementation of the genetic energy forecast does not prevent a global temperature rise by two degrees compared to pre-industrial era. Climate modeling show that the anticipated slowdown of global warming in the next 10-15 years will be caused by the counteraction of the natural factors, first of all a decrease in solar activity and the transition of the major circulation indices to the next negative phase. Warming is expected to resume in the next decade but at a slower pace than in the last 30 years. This hiatus should be maximized to expand the area of the global energy transition and the large-scale implementation of carbon capture technologies. Without these measures the achievement of Paris Agreement targets seems impossible.

Keywords: energy, emission, carbon dioxide, concentration, historical approach, climate model, natural factors, forecast, scenarios, atmosphere, climate.

II

В 2020 г. концентрация С02 в атмосфере достигла 415 млн-1, что является беспрецедентным событием в геологической истории Земли

Введение

В июле 2020 г. исполнилось 30 лет со дня опубликования Первого оценочного доклада по изменениям климата, подготовленного Межправительственной группой экспертов по изменениям климата (МГЭИК) [1]. Группа была создана в 1988 г. совместными усилиями Всемирной метеорологической организации и ООН, и с тех пор подготовила еще четыре оценочных доклада, последний из которых [2] увидел свет в 2013-2014 гг. Выход очередного Шестого доклада запланирован на 2022 г. Деятельность МГЭИК, которая, не проводя никаких собственных исследований, призвана, тем не менее, снабжать мировую

о с

СЦ <

<

общественность наиболее полной и достоверной информацией по всему спектру релевантных проблем, явилась, в частности, заметной вехой в исследовании взаимодействия энергетики и климата. Многие выводы МГЭИК, касающиеся этой сферы, представляются отнюдь не бесспорными. К тому же, за истекший период времени произошло достаточно много важных событий - достаточно назвать: Рамочная конвенция ООН по изменениям климата (1992), Киотский протокол (1997), Парижское соглашение по климату (2015), не говоря уже о начале глобального энергетического перехода и масштабного распространения практики регулирования выбросов парниковых газов. Таким образом, необычайно динамичная ситуация в области взаимодействия энергетики и климата дает нам основания вновь вернуться к этой теме.

В 2020 г. среднегодовая концентрация углекислого газа в атмосфере достигла отметки в415 млн1, что является беспрецедентным событием в геологической истории Земли, по крайней мере, за последние три миллиона лет. В последний раз столь высокое содержание С02 в атмосфере наблюдалось в эпоху плиоцена (9-2 млн лет назад), которой соответствовал чрезвычайно теплый климат (с температурой в среднем на 3 °С выше современной) и нео-

В последний раз столь высокое содержание С02 в атмосфере, как в наши дни, наблюдалось в эпоху плиоцена, которой соответствовал очень теплый климат с температурой на 3 °С выше современной

бычайно высокий уровень океана, вероятно, на 15-30 м выше современного. Разумеется, возможность возвращения таких условий вызывает острое беспокойство мировой общественности на фоне уже достигнутого с конца XIX столетия потепления в 1 °С. В настоящее время можно считать твердо установленным, что высокое содержание С02 в атмосфере и современное потепление преимущественно являются результатом деятельности человека, в основном, за счет сжигания органическоготоплива [1, 2]. Совершенно ясно, что скорость дальнейшего поступления антропогенного углерода в атмосферу, следовательно, скорость дальней-

Металлургический завод«Норильский Никель»

Источник: pro-arctic.ru

о

сц <

E, млрд т у.т.

1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

год

Рис. 1. Эволюция потребления энергии в мире в последние 30 лет

-и некоторые прогнозы энергопотребления, выполненные в 1981-1990 гг., с указанием года публикации:

--ИАЭ, 1984;--IAASA1 1981;--МАГАТЭ, 1984;--Окриджский институт энергетического

анализа, 1985;--WECl 1984;--Московский энергетический институт (МЭИ), 1990 [4]

шего потепления напрямую связаны с количеством сжигаемого органического топлива и определяются тем, как будет развиваться мировая энергетика. В Пятом оценочном докладе МГЭИК (р. 979, Пд.П.8) [2] показано, что именно неопределенность сценариев антропогенного воздействия на атмосферу играет решающую роль в формировании общей неопределенности оценок будущих климатических изменений на дальнюю перспективу. Так, если для периода до 2030 г. она определяет до 20 % разброса модель-

Настоящая проблема заключается в том, что ни один из предлагаемых десятков сценариев, по сути, не имеет никакого отношения к реальной эволюции мировой энергетики и эмиссии СО„

ных температурных оценок (оставшаяся часть связана с внутренней изменчивостью и особенностями климатических моделей), то к 2050 г. эта доля возрастает до 50 %, а к концу столетия превышает 80 %. Поскольку влияние энергетики на климат очень велико, то чрезвычайно важным является поиск долговременных тенденций ее развития и построение обоснованных долгосрочных прогнозов.

Нельзя сказать, что эта задача является новой, поскольку, ещё начиная с середины 70-х годов прошлого столетия, долгосрочные прогнозы регулярно появляются в мировой научной печати, начиная с работ Римского клуба и последующих публикаций Международного института прикладного системного анализа (IAASA), Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) Всемирного энергетического совета (WEC), Института атомной энергии АН СССР (ИАЭ) и других организаций (их подробный обзор можно найти в [3]). Однако не может не поражать степень неуспешности этих прогнозов, которые, как правило, начинают разрушаться уже через 10-15 лет после их составления (рис. 1).

с; о с

СЦ <

Предприятия ТЭК вносят значительный вклад Источник:

в эмиссию С02 гс!аззеп1ауои1з/0ероз11р11о1оз.сот

о

сц <

В результате мировое энергетическое сообщество поражено тотальным скепсисом, крайняя позиция которого заключена в утверждении, что долгосрочный прогноз развития энергетики невозможен. В последнюю четверть века этот пессимизм проложил дорогу и в сообщество климатологов, которые вместо прогнозов предпочитают пользоваться весьма произвольными сценариями [2]. В последние 15 лет наибольшей популярностью пользовались, пожалуй, сначала сценарии А1В, В2, а затем также ВСР8.5 (особенно первый и последний), которые значительно преувеличивают размер антропогенной эмиссии углерода и, соответственно, реакцию климатической системы, как на глобальном, так и на региональном уровне [3]. В результате мировое сообщество в течение уже трех десятилетий постоянно снабжается

Среднемировое удельное потребление энергии на душу населения составит около 2,8-3 т у. т./год на человека при росте численности населения планеты к2100г. примерно до 10 млрд человек

ложными представлениями о масштабах будущих климатических изменений, что вызывает излишнее напряжение в обществе и обратную гипертрофированную реакцию. Но это не проблема неверного выбора сценария - настоящая проблема заключается в том, что ни один из предлагаемых десятков сценариев, по сути, не имеет никакого отношения к реальной эволюции мировой энергетики и эмиссии диоксида углерода. Поскольку реакция климатической системы зависит не только от объёма выбросов, но и от их динамики, то задача корректного прогноза развития мировой энергетики приобретает вполне реальное практическое значение. Цель настоящей работы - продемонстрировать, что предложенный нами более 30 лет назад метод генетического прогноза является весьма надежным инструментом, позволяющим предвидеть генеральное развитие мировой энергетики на много лет вперед.

Генетический прогноз развития мировой энергетики

В основу генетического прогноза положен исторический экстраполяционный подход, широко распространенный в современных социологии и экономике в виде известной теории институциональных изменений лауреата Нобелевской премии по экономике 1993 г. Д. К. Норта. Основная идея этой теории заключается в том, что история развития сложных систем опре-

деляет их будущее поведение на много лет вперед. Последовательное применение генетического подхода (обнаружение и экстраполяция исторических тенденций в будущее) позволило сформулировать две фундаментальные тенденции, определяющие современные пути развития энергетики мира:

- стабилизацию национального удельного энергопотребления на душу населения на уровне, определяемом главным образом климатическими и географическими факторами [5] (данные энергетической статистики ВР и ООН показывают, что этот процесс в большинстве развитых стран мира уже завершился [3]);

- неуклонное снижение в течение уже более ЮОлетуглеродной интенсивности мировой энергетики (количества диоксида углерода, приходящегося на единицу потребления энергии) в результате изменений структуры топливно-энергетического баланса.

Реализация первой тенденции должна привести среднемировое удельное потребление энергии на душу населения к величинам около 2,8-3 т у. т./год-чел (это немногим выше современного уровня), что при росте численности населения планеты к 2100 г. примерно до 10 млрд человек, согласно последним оценкам Демографической службы ООН, доведет ежегодное ми-

Пробка из автомашин в Лос-Анджелесе, США Источник: industrytap.com

В ближайшие 15-20 лет можно ожидать достижения пика антропогенной эмиссии углекислого газа на уровне в 10-11 Гт Св год, не слишком отличающимся от современного в 9,5 Гт Св год

ровое потребление энергии до 28-30 млрд т у. т., что лишь в 1,5 раза выше современного. Таким образом, исторический подход ограничивает потребление энергии в текущем столетии именно этим сравнительно невысоким значением. Между тем, авторы многих радикальных энергетических сценариев ещё совсем недавно допускали рост энергопотребления до 60,100 и даже 200 млрд т у. т./год (см. [3]), исходя из неверной гипотезы о том, что для достижения уровня жизни развитых стран необходим соответствующий им уровень потребления энергии. Эта идея жива до сих пор. При этом упускается из виду важное обстоятельство, что почти все высокоразвитые страны расположены в средних и высоких широтах, требующих значительных (до 40 % от общей потребности) дополнительных расходов на отопление.

Сохранение второй тенденции означает снижение темпов роста антропогенного воздействия на климатическую систему. В частности, в ближайшие 15-20 лет можно ожидать достижения пика антропогенной эмиссии С02 на уровне в 10-11 Гт С / год, не слишком отличающимся от современного в 9,5 Гт С / год. Неуклонное снижение углеродной интенсивности можно обосновать фундаментальным философским принципом прогрессирующего упрощения А.Дж.Тойнби, широко распространенным в природе и общественной жизни. Применительно к энергетике этот принцип проявляется в постепенном переходе от более сложных, «законсервированных» в органическом топливе энергоносителей, к более простым, естественным. Этому принципу полностью отвечает развитие мировой энергетики с начала индустриальной эпохи: от угля к нефти, затем к газу и, наконец,

<

о

СЦ <

к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (ВИЗ) - солнечным, ветровым, биотическим и др. Глобальный энергопереход, ставший новой реальностью в последние десять лет и сопровождающийся быстрым ростом потребления газа и еще более быстрым ростом потребления ВИЗ (со скоростью в 12-15 % в год), являет собой яркое свидетельство осуществления этого принципа.

На рис. 1 показано сравнение генетического прогноза развития мировой энергетики, выполненного в 1990 г. [4], с данными ВР и ООН по потреблению энергии за последние 30 лет. Можно видеть, что на протяжении всего этого периода откло-

Одним из главных источников выбросов С02 являются угольные ТЭС Источник'.МаёгаЬоТЬан/ОерозйрЬоТоз.сот

нение фактических данных от расчетных составляло 3-4 % и достигло максимума вб% в 2012 г. Генетический прогноз позволил совершенно верно предсказать резкое замедление ежегодных темпов роста энергопотребления на рубеже тысячелетий, которое в 1990-2020 гг. снизилось до 1,8 % против 3,7 % в 1950-1990 гг. Это обстоятельство стало полной неожиданностью для большинства аналитиков, в свое время ожидавших более чем двукратного увеличения потребления энергии втечение последней четверти века. Это демонстрирует рис. 1, где показаны несколько прогнозов, выполненных в 1980-х годах рядом весьма авторитетных исследовательских организаций (см. [3]).

Совершенно очевидно, что все они значительно завышают глобальную потребность в первичной энергии уже с начала 1990-х годов, и это расхождение продолжает нарастать со временем, достигая сейчас 40-50 % (см. рис. 1). Более того, прогнозы 1980-х годов содержали целый ряд ошибок принципиального характера, а именно:

1) предположение о том, что потребление вначале нефти, а затем газа пройдут свой пик на рубеже столетий ввиду скорого исчерпания их извлекаемых запасов. В действительности, производство и потребление нефти и газа продолжают расти, и максимум производства нефти будет достигнут не ранее середины, а газа - лишь во второй половине текущего столетия. Даже в конце XXI в. потребление газа, в основном за счет введения в эксплуатацию обширных нетрадиционных запасов (сланцевого, угольного метана, газа плотных формаций) будет всё ещё на уровне нынешнего [6];

2) предполагалось, что атомная энергетика значительно потеснит другие источники энергии, а её доля в общем потреблении в первой четверти XXI в. превысит 15-20 %. В действительности, атомная энергетика переживает затяжной кризис, особенно усилившийся после аварии на станции Фукусима в марте 2011 г. Её среднегодовой рост в последние 25 лет составил ничтожные 0,7 %, что значительно меньше, чем для любого другого вида энергии. Доля атомной энергетики в мировом энергопотреблении за те же 25 лет упала с 5,6 до 4,2 %, и нет никаких шансов, что она может существенно вырасти в ближайшие 30-40 лет. На это вполне определенно указывает недавний ежегодный отчет МАГАТЭ по перспективам развития атомной энергетики (2020 г.), в котором, как всегда, представлены два сценария будущего - высокий и низкий. Учитывая, что за всю 40-летнюю историю создания подобных прогнозов не было ни одного случая осуществления высокого сценария, правильнее опереться на данные низкого варианта, согласно которому выработка электроэнергии на АЭС к 2050 г. должна

Рост эмиссии углерода завершится уже в следующем десятилетии на уровне в 10-11 млрдтС /год, потом начнётся медленное снижение. В конце столетия она будет на уровне ниже 6 млрд т С/год

мичным видом мировои энергетики, демонстрирующим в течение последних 25 лет поразительные темпы роста в 15-20 % в год. В 2020 г. электростанции на основе ВИЗ впервые произвели более 3 трлн кВт-ч в год, а за год до этого превзошли атомную энергетику по объёму производства электроэнергии. В рамках исторического подхода возобновляемые источники энергии (включая гидроэнергетику) займут ведущее место в мировом энергобалансе уже через 20-30 лет [б, 7].

<

составить немногим более 2,9 трлн кВт-ч, что практически в точности соответствует современному уровню. Это означает, что доля АЭС в общем энергопотреблении продолжит падать и не превысит тех же 4 % к середине столетия;

3) роль возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в обозримом будущем представлялась весьма незначительной. На самом деле, ВИЭ, без сомнения, являются самым дина-

Эмиссия и атмосферная концентрация диоксида углерода

Таким образом, реальная энергетическая картина мира в начале XXI в. сильно отличается от её изображения в недавних сценариях, которые были рассчитаны, по крайней мере, на три четверти столетия. Разумеется, что основанные на них представления об эволюции эмиссии С02 и его концентрации в атмосфере также весьма далеки от реальности (рис. 2).

Рис. 2. Мировая эмиссия Э и среднеглобальная концентрация С диоксида углерода: фактические данные С01АС

(-1) и М0АА(-2), прогнозы Клименко и др. [4] (-3), Будыко и др. [8] (-4), Окриджского института

энергетическогоанализа( 5)(см.[3])исценарийА1ВМГЭИК( -б)

<

Концентрация выбросов выхлопных газов в Пекине достигла исторических значений

Источник: Эайа Оэтап/РНсктсот

о

сц <

Напротив, генетический прогноз позволил с высокой степенью точности предсказать реальную эволюцию эмиссии и концентрации углекислого газа в последнюю четверть столетия. Именно концентрация С02 является важнейшим параметром, который непосредственно используется в расчетах температуры воздуха во всех климатических моделях, и поэтому точность её определения является решающей для подобных расчетов. Рис. 2 показывает, что генетический прогноз без коррекции позволил предсказать концентрацию С02 в последние 30 лет с беспрецедентно высокой точностью (ошибка составила менее 1 %), что

Концентрация С02 достигнет максимума в 500 млн-1 в первой половине XXII в., после чего начнется её медленное снижение, вызванное поглощением избыточного углерода океаном и биотой

эквивалентно погрешности вычисления среднеглобальной температуры в пределах (0,02-0,04)°С при чувствительности климатической системы в (1,5-3,0)°С к удвоению концентрации С02.

Поскольку генетический прогноз обнаруживает удивительную устойчивость и не требует частой корректировки со временем, можно предположить, что он будет демонстрировать сходные показатели, по крайней мере, в течение нескольких следующих десятилетий. В этой связи интересно взглянуть на результаты этого прогноза до конца текущего столетия [7]. Мы полагаем, что рост эмиссии углерода завершится уже в следующем десятилетии на уровне в 10-11 млрд т С / год, после чего начнётся её медленное снижение. Однако и в конце столетия величина эмиссии будет находиться на уровне не ниже 6 млрд т С/ год в результате сжигания значительных количеств угля и нетрадиционного газа. Достижение целей климатически нейтральной, т. е. с нулевыми нетто-выбросами экономики, провозглашенное лидерами некоторых развитых стран мира, видится нам нереальным ни к 2050 г., ни даже в более отдаленной перспективе, исходя из богатого исторического опыта эволюции энергетики и первого десятилетия реализации Парижского соглашения [7].

Сточки зрения климатологии, более важным является кумулятивный выброс диоксида углерода, поскольку именно он определяет концентрации С02 в атмосфере и радиационный форсинг этого парникового газа. Предсказанная нами [4] величина кумулятивной эмиссии за последние 30 лет (1990-2019 гг.) в 228 Гт С практически не отличается от реальной (227 Гт С), рассчитанной по данным ВР. Таким образом, можно надеяться, что ошибка вычисления выброса углерода в атмосферу до конца текущего столетия будет находиться в пределах 5-7 %. Для сравнения отметим, что диапазон кумулятивной эмиссии углекислого газа по сценариям группы БВЕБ МГЭИК к 2100 г. составляет более 50 % от медианного значения.

По нашим представлениям скорость роста концентрации диоксида углерода будет уменьшаться с современной величины 0,5 % в год (по данным ЫОАА) до 0,3 % в середине столетия и 0,1 % в его конце (рис. 3). Концентрация достигнет максимального значения немногим выше 500 млн1 в первой половине XXII в., после чего начнется её медленное снижение, вызванное поглощением избыточного углерода атмосферы океаном и наземной биотой, а также развитием технологий захоронения углерода.

Таким образом, генетический прогноз дает результаты, которые лежат существен-

Предотвратить нежелательное потепление можно за счет технологий захоронения углерода. Но есть сомнения, что масштаб захоронения может достичь нужного уровня в ближайшие десятилетия

но ниже наименее агрессивных сценариев антропогенного воздействия МГЭИК [2] (В! из второго семейства сценариев ЗВЕБ и ИСР 4.5 из недавнего семейства сценариев). Это непосредственно означает, что прогнозные оценки будущего потепления нуждаются в серьезной коррекции.

Изменения среднеглобальной температуры и природные климатические факторы

Насколько велика может быть такая коррекция, можно судить по результатам расчетов на двух моделях - климатической модели промежуточной сложности ИФА

<

с;

Рис. 3. Концентрация диоксида углерода в атмосфере: прогнозные оценки (-1) Окриджского института

энергетического анализа (см. [3]), (-2) Будыко и др.[8], (-3) МЭИ [9]

и сценарии МГЭИК В2 (-4),А1В( -5),ВСР4.5(- 6)иВСР6(-7)

С, млн

-1

700 650 600 550 500 450 400 350

1960 1980 2000 2020 2040

2060

2080

2100

с; о с

сц <

Рис. 4. Изменения среднеглобальной температуры, рассчитанные на климатических моделях

ИФА РАН (а) [ТО] и МЭИ (б) [9, П] при различных вариантах антропогенного воздействия на атмосферу:

историческому прогнозу [4-7] (-1) и сценариям МГЭИК ВТ (-2), В2(-3),АТВ(-4) и А2( -5)

с;

о

сц <

РАН [10] и регрессионно-аналитической модели МЭИ [9, 11] с использованием различных вариантов антропогенного воздействия - прогнозных оценок авторов настоящей статьи [4-7] и сценариев БРЕБ МГЭИК [2]. Как видно из рис. 4, обе модели дают сходные оценки изменения среднеглобальной температуры на период до 2100 г. для одинаковых сценариев антропогенного форсинга (МЭИ и А2 МГЭИК), в то время как разброс оценок при выборе крайних сценариев достигает 3 градусов. Таким образом, совершенно ясно, что обоснованность прогнозных оценок антропогенного воздействия на атмосферу, в первую очередь, под влиянием энергетики, в значительной мере определяет и точность расчетов будущих климатических изменений.

Осуществление наиболее агрессивных сценариев МГЭИК, таких как А1 П, А1В или РСР 8.5, РСР 6.0, с точки зрения исторического подхода выглядит невероятными, а тревога по поводу наступления соответствующих последствий совершенно необоснованной. Тем не менее, приближение концентрации С02 к 500 млн1 не оставляет надежды на возможность удержания повышения среднеглобальной температуры не только в пределах 1,5, нои2 °Сеще до конца нынешнего столетия. Единственная возможность предотвращения нежелательного потепления заключается в широком использовании технологий захоронения углерода. Однако существуют серьезные сомнения, что масштаб захоронения может достичь не-

обходимого уровня в течение нескольких ближайших десятилетий. В самом деле, действующие в настоящее время в мире мощности по захоронению диоксида углерода оцениваются СССЭ1 на уровне 10 млн тонн углерода в год (или около 0,1 % от ежегодной эмиссии), а для предотвращения дальнейшего роста температуры на 0,5 °С необходимо депонировать не менее 1 млрд тонн к середине и доЗ млрд тонн к концу нынешнего столетия. Учитывая масштаб

Баренцево море

2.5 -

-0.5

1850 1900 1950 гады 2000 2050 2100

Рис. 5. Хронология и прогноз изменения глобальной температуры воздуха ОТглоб в 1850-2100 гг. (в отклонениях от среднего за 1850-1900 гг.). 1 — данные СВЦ'2 — расчёты настоящей работы: антропогенный тренд, дополненный доминирующими гармониками 69, 21 и 9,1 года (до 2025 также 6 года)

необходимых экономических издержек и господствующее стойкое неприятие общественностью таких технологий, трудно рассчитывать на достижение быстрого прогресса в этой области.

Первая декада нынешнего столетия завершилась весьма неординарным климатическим событием - впервые после 1970 г. среднеглобальная за пятилетие (2006-2010 гг.) температура оказалась

Источник:ро1пп.сот

ниже температуры предыдущего пятилетия (2001-2005 гг.). Кроме того, пятнадцать лет кряду, с 1998 по 2013 г. средняя по планете температура отказывалась расти, а в Южном полушарии и вовсе падала. Это явление в более поздней научной литературе получило название Малого Перерыва (Little Hiatus) (для того, чтобы отличить его от т.н. Большого Перерыва, последовавшего в 1945-1975 гг., до сих пор в значительной мере загадочного явления, прервавшего глобальное потепление, начавшееся еще в конце XIX в.). Новый перерыв вызвал самый настоящий переполох в научном сообществе, поскольку поставил под серьезное сомнение антропогенное происхождение современного глобального потепления. Ведь за 30 лет с 1983 по 2013 г., вместивших период Малого Перерыва, антропогенная эмиссия диоксида углерода, основного парникового компонента атмосферы, возросла на 85 % - с 5,1 до 9,4 млрд тонн углерода в год, а концентрация С02 - с 343 до 395 млн1. Как в этом случае объяснить видимое замедление скорости глобального потепления?

Совершенно очевидно, что наблюдаемое глобальное повышение температуры (рис. 5) является результатом совместного воздействия на климатическую систему не только антропогенных, но и естественных факторов. Некоторые из последних и являются причиной климатического парадокса начала нынешнего столетия. Ниже мы попытаемся идентифицировать эти факторы и на основе этого анализа дать

прогноз развития климатической ситуации в мире на ближайшие десятилетия.

На рис. б представлены результаты непрерывного вейвлет-анализа рядов глобальной и полушарных температур воздуха в период 1850-2020 гг. по данным CRU. Здесь анализируется только один из трех доступных и оперативно пополняемых глобальных температурных архивов (HadCRUT4), поскольку в настоящее время он является единственным имеющим продолжительность свыше 170 лет, что критически важно для настоящего исследования. Следует подчеркнуть, что возможность анализа столь продолжительных рядов появилась лишь относительно недавно, что теперь делает реальным поиск в них мультидекадных ритмов. Из рядов предварительно был удалён долгопериодный антропогенный тренд, вызванный накоплением парниковых газов и аэрозолей в атмосфере, который определялся расчётами на комбинированной (сочетание энергобалансовой и статистической моделей)

модели климата МЭИ [9,11]. Полученные таким образом остаточные температурные ряды с удалённым трендом должны содержать важную информацию о влиянии естественных факторов.

Данные на рис. б показывают наличие весьма устойчивых примерно 70-летнего и 20-летнего циклов за всё время инструментальных наблюдений с середины XIX в. Менее значимый 9-летний цикл наблюдался в большей части (1870-1900 и 19402000 гг.), а б-летний - в значительной части общего периода наблюдений. Похожие результаты были получены также при исследовании температурных рядов методом максимальной энтропии [12].

Можно предположить, что источником доминирующей 70-летней цикличности является Северная Атлантика, где она уверенно фиксируется не только в океане, но и на континентальной периферии -в Гренландии, на Земле Элсмира, Англии, Финляндии, на Новой Земле и Ямале, причём не только в инструментальных

Рис. б. Спектры мощности (слева) и глобальные вейвлет-спектры (справа) остаточных рядов температуры воздуха: а — глобальной;б — Северного полушария; в — Южного полушария. Красные области соответствуют большим значениям энергии спектра. На вейвлет-спектрежирныелинии отмечают границы 90%-ной области достоверности относительно красного шума;штриховой линией показан конус влияния концевых эффектов. На глобальном спектре уровень 90%-ной значимости показан штриховой линией

I IrJnfJT rrJÉTp f ■ Tf ■! Il" OftàHtil СПАЛф

tn un ma un ih ч» ии зим ям « p.» m ni m g.»

BOHU irUlJI Моцдотъ

Гольфстрим

Источник: PantherMediaSeller/Depositphotos.com

данных, но и в рядах палеотемператур и давления продолжительностью в сотни и даже тысячи лет. В последнее время установлено, что зона влияния 70-летней цикличности распространяется далеко на юг и охватывает районы формирования Гольфстрима. Мы полагаем, что этот ритм обусловлен квазипериодическими изменениями атмосферной и океанической циркуляции, известными как Североатлантическое колебание (NAO) и Атлантическая мультидекадная осцилляция (AMO). Оба этих явления тесно связаны друг с другом и, даже более, представляют собой две стороны одной медали - внутренней неустойчивости глобальной климатической системы [13-15]. Фаза этой неустойчивости определяет интенсивность адвекции тёплых субтропических вод на север и далее в бассейны Норвежского и Баренцева морей и, в конечном счете, влияет на климат полушария и мира в целом. Действительно, ряды индексов AMO/NAO содержат примерно 60-70-летнюю компоненту [13,16,17] и обнаруживают сильную положительную корреляцию с рядами температуры Северного полушария [15,18]. Нами установлено, что корреляция температурных рядов с индексом AMO оказывается более сильной.

Эпохи с положительными индексами AMO/NAO характеризуются более интен-

сивным западным переносом воздушных масс и заметным потеплением большей части нетропической зоны Северного полушария, особенно выраженным в зимне-весенний период. Кстати, именно такой сезонной асимметрией отличалась самая быстрая фаза современного потепления (1975-2005 гг.), что также свидетельствует в пользу связи полушарных и глобальных температур с событиями в Северной Атлантике.

Наконец, оказывается, что 70-летний ритм отмечен в рядах глобальной температуры и температуры Северного полушария, но относительно слабо выражен в спектре Южного полушария, что является важным

Источником доминирующей 70 летней цикличности является Северная Атлантика и ее континентальная периферия -Гренландия, Земля Элсмира, Великобритания, Финляндия, Новая Земля и Ямал

о с

СЦ <

<

дополнительным свидетельством в пользу его североатлантического происхождения.

Наличие бидекадного цикла часто приписывают влиянию Солнца, но здесь не всё так просто, поскольку в нашем случае этот цикл почти не выражен в Северном, зато отчётливо виден в Южном полушарии. Это заставляет искать его возможное происхождение не только в поведении Солнца, ноив динамике Южного колебания (S0), индекс которого имеет пик в 22 года [19]. В последние годы сформировалась точка зрения, что Южное колебание является составной частью более масштабного явления под названием Тихоокеанская декадная осцилляция (PDO), в спектре которой присутствует выраженный бидекадный цикл. Влияние PDO распространяется на весь Земной шар [20], но в особенности выражено в тропической зоне. Это видно потому, что температурные ряды экваториальной и южной частей Тихого океана, а также всей акватории Индийского океана содержат выраженную бидекадную осцилляцию [12]. В свою очередь Южное колебание, в значительной мере определяющее температурный режим Южного полушария, несомненно, испытывает влияние колебаний скорости вращения Земли, также имеющих важный период в 22 года [21]. В последнее время

Зона влияния 70 летней цикличности распространяется далеко на юг в районы формирования Гольфстрима. Ритм обусловлен квазипериодическими изменениями атмосферной и океанической циркуляции

появилась целая серия свидетельств того, что бидекадный цикл неразрывно связан с явлением AMO и представляет собой неотъемлемый атрибут климатической системы, устойчивый в течение тысячелетий [13, 22].

Природа 9-летнего цикла представляется в настоящее время наименее ясной и видится нам результатом сложения колебаний лунно-солнечных приливов с характерными временами в 8,85 (период перигея лунной орбиты) и 9,86 года (период барицентра системы Солнце-Юпитер), несомненно, способных вызывать значительные изменения атмосферной циркуляции и, следовательно, температуры воздуха.

Таяние ледника в Аргентине

Источник: GUDKOVANDREY/Depositphotos.com

0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4

1362,0 1361,8 1361,6 1361,4 1361,2 1361,0 1360,8 1360,6 1360,4

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0

<

1860 1Е

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020

Рис. 7. Хронология изменения в 1850-2020 гг. естественных климатических факторов: AMO (a), PDO (6), TSI (в) и SO (г)

Сравнение данных инструментальных наблюдений с 1850 г. с результатами расчётов на энергобалансовой модели, дополненных суперпозицией нескольких основных выявленных циклов, представлено на рис. 5. Расчётная кривая на участке 1850-2020 гг. объясняет более 75 % наблюденной изменчивости и ясно демонстрирует, что естественные факторы в значительной мере могут усиливать или, напротив, маскировать развивающееся потепление вплоть до его полной остановки или даже кратковременного похолодания, как это имело место во время Большого (1945-1975 гг.) или недавнего Малого пе-

Исторический подход устанавливает низкий потолок глобальных энергопотребления и эмиссии С02 в 30 млрд т у. т. и11 млрд т С/год, соответственно, т. е. ниже основных климатических сценариев

рерыва (1998-2013 гг.). Мы полагаем, что в ближайшие годы потепление снова замедлится и возобновится лишь к началу следующей декады, но его скорости вплоть до конца столетия будут ниже достигнутых в период 1975-2005 гг., когда совпадение чрезвычайно интенсивных положительных фаз NAO/AMO и PDO/SO (рис. 7) с рекордными за последние 600 лет уровнями солнечной радиации [23] обеспечивало скорости потепления, превышающие 0,2 °С за декаду. В ближайшее десятилетие естественные факторы будут оказывать сдерживающее воздействие на процесс глобального потепления, что будет связано, в первую очередь, со снижением солнечной активности и переходом NAO/AMO в отрицательную фазу, для которой характерно ослабление интенсивности западного переноса воздушных масс. Как показывают данные недавних наблюдений, оба указанных процесса набирают силу. В самом деле, индекс AMO, достигший локального максимума между 2005-2010 гг., начал снижение и скоро должен войти в отрицательную зону. Тихоокеанский индекс PDO также миновал очередной максимум в 2017 г. и, таким образом, сейчас впервые за последние 60 лет происходит одновременное снижение обоих главных циркуляционных

О с

СЦ <

индексов (рис. 7). Остается напомнить, что в аналогичной ситуации после 1960 г. возобладала тенденция к глобальному похолоданию, наиболее ярко проявившаяся в Северном полушарии. Шанс на сдерживание современного потепления возрастает еще и потому, что одновременно с трансформацией циркуляционных процессов в океане в недавно завершившемся солнечном цикле 24 (2008-2019 гг.) в обсерватории РМООМИС зафиксированы минимальные за всю почти 50-летнюю историю спутниковых наблюдений значения плотности солнечного излучения ТБ1 (рис. 7). Процесс снижения солнечной активности на этом не завершен - по нашим прогнозам [24] он должен продлиться еще, по крайней мере, в течение двух ближайших солнечных циклов, то есть до 2044 г.

Заключение

Представленные результаты показывают, каким образом масштабы будущего влияния человека на окружающую среду могут быть существенно уточнены, и позволяют сделать следующие выводы:

1. Развитие мировой энергетики происходит не произвольным образом, а по определенным законам, имеющим историческое происхождение. Исторический подход устанавливает довольно низкий потолок

глобальных энергопотребления и эмиссии углерода на отметках в 30 млрд т у. т. и 11 млрд т С/год, соответственно, т. е. на уровне еще ниже, чем для наименее агрессивных сценариев, используемых в климатологических расчетах. Тем не менее, объемы выбросов парниковых газов при реализации генетического прогноза развития мировой энергетики не предотвращают повышение глобальной температуры на 2 градуса по сравнению с доинду-стриальной эпохой.

2. Мировое сообщество не располагает реальными возможностями остановить глобальное потепление на уровне «существенно ниже 2 °С» как это предписывает Парижское (2015) соглашение по климату.

3. Для адекватной оценки меры антропогенного воздействия (в первую очередь, со стороны энергетики) на глобальный климат необходим учет природных факторов - солнечной активности и квазипериодических процессов в системе «атмосфера - океан».

4. Замедление глобального потепления вплоть до его временной остановки возможно в ближайшие 10-15 лет из-за противодействия естественных факторов климата, а затем после 2070 г. в результате завершения глобального энергетического перехода и тотальной декарбонизации энергетики.

Использованные источники

Climate Change. The 1РСС Scientific Assessment / Edited byJ.T.Houghton, G.J.Jenkins andJ.J.Ephraums. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 1990.

Climate Change 2013. The Physical Science Basis. Contribution of Working Group 1 to the Fifth Assesssment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Edited byT. F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. M. B. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Naueis, Y. Xia, V. Bex, P. M. Midgley. Cambridge, UK and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2013. Клименко В. В., Клименко А. В., ТерешинА. Г Опыт построения дальних прогнозов воздействия мировой энергетики на атмосферу Земли // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51, №2. С. 158-168. Клименко В. В., Клименко А. В. Приведет ли развитие энергетики к климатическому коллапсу? // Теплоэнергетика. 1990. № 10. С. 6-11.

Клименко В. В. Влияние климатических и географических условий на уровень потребления энергии //Доклады РАН. 1994. Т. 339. № 3. С. 319-332.

Клименко В. В., ТерешинА. Г Нетрадиционный газ и транс-

формация глобального углеродного баланса //Доклады РАН. 2013. Т. 453. № 1. С.95-98.

7. Клименко В.В., Клименко A.B., Микушина О.В., Терешин

A.Г. Избежать потепления на 2°С - миссия невыполнима // Теплоэнергетика. 2016. № 9. С. 3-8.

8. Антропогенные изменения климата / Под ред. М. И. Будыко, Ю. А. Израэля. Л.: Гщрометеоиздат, 1987.

9. Клименко В. В., Клименко А. В., Андрейченко Т. Н., Довгалюк

B. В., Микушина О. В., Терешин А. Г, Федоров М. В. Энергия, природа и климат. М.: МЭИ, 1997. 218 с.

10. Аржанов М. М., Елисеев А. В., Клименко В. В., Мохов И. И., Терешин А. Г Оценки климатических изменений в Северном полушарии в XXI веке при альтернативных сценариях антропогенного воздействия // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 6. С. 643-654.

7 7. Klimenko V. V., Mikushina 0. V., Tereshin A. G. A combined model for analysis and projection of the regional air temperature dynamics // Proc. SPIE 10466, 23rd International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics; DOI: 10.1117/12.2287753 12. Клименко В. В. Почему замедляется глобальное поте-

Ледники в Национальном паркеАргентины Источник: eskystudloZDeposltphotos.com

5. В предстоящие полтора десятилетия в результате действий естественных факторов скорость потепления значительно сни-

зится и будет находиться на уровнях гораздо ниже оценок МГЭИК даже для наименее агрессивных сценариев. Эта пауза должна быть максимальным образом использована для расширения ареала глобального энергетического перехода и масштабного внедрения технологий захоронения углерода. Без осуществления этих мероприятий достижение целей Парижского соглашения представляется невозможным.

В работе использованы данные Статистической и Демографической служб ООН (https://data.un.org/), British Petroleum (BP, https://www.bp.com), МАГАТЭ (http://www.iaea. org), Информационно-аналитического центра подиоксидууглерода (CDIAC, http://cdiac.orni. gov), МГЭИКhttp://www.ipcc.ch), Национальной службы по атмосфере и океану США (NOAA/ ESRL, ftp://aftp.cmdi.noaa.gov/products/trends/ со2/), Центра климатических исследований Университета Восточной Англии (CRU, http:// www. cru. uea.ac. uk/cru/da ta/temperature/), Всемирного института улавливания и захоронения углерода (GCCSi, http://www. giobaiccsinstitute.com), Мирового радиационного центра в Давосе http://www.pmodwrc.ch)

Работа выполнена при поддержке РНФ (проект 21-79-30013) в части исследования перспектив развития энергетики и РФФИ (проект 20-08-00320-20) в части климатических исследований.

пление? // Доклады Академии наук. 2011. Т. 440, № 4. С. 536-539.

13. Oisen J., Anderson N.J., Knudsen M.F. Variability of the North Atlantic Oscillation over the past 5,200 years // Nature Geoscience. 2012. Vol.5. No. 11. R808-812.

14. Semenov V.A., LatifM., Dommenget D., Keenlyside N.S., Strehz A., Martin T., Park W. The impact of North-Atlantic-Arctic multidecadal variability on Northern Hemisphere surface air temperature // Journal of Climate. 2010. Vol.23. No.21. R5668-5677.

15. Li J., Sun C., Jin F.-F. NAO implicated as a predictor of Northern Hemisphere mean temperature multidecadal variability // Geophys. Research Letters. 2013. Vol. 40. No. 20. P. 5497 -5502. Doi:10.1002/2013GL 057877.

16. Knudsen M.F., Seidenkrantz M.-S., Jacobsen B.H., Kuipers A. Tracking the Atlantic Multidecadal Oscillation through the last 8,000 years // Nature Communications. 2011. Vol.2. No.178. doi: 10.1038/ncomms 1186.

17. Cook E. R., DArrigo R. D, Briffa К. R. A reconstruction of the North Atlantic Oscillation using tree-ring chronology from North America and Europe // The Holocene. 1998. Vol. 8. No. 1. P. 9-17.

18. Hurrell J. W. Decadal trends in the North Atlantic Oscillation: regional temperatures and precipitation // Science. 1995. Vol. 269. No. 5224. P. 676-679.

19. Dovgalyuk V. V, Klimenko V. V. On long-term variations in the intensity of El Ninjo occurrences // Geophysical Research Letters, 1996. Vol. 23, No. 25. P. 3771-3774.

20. Kosaka Y., Xie S.-P. The tropical Pacific as a key pacemaker of the variable rates of global warming// Nature Geoscience. 2016. Vol. 9. No.9. P. 669-674.

21. Сидоренков H. С. Физика нестабильностей вращения Земли. М: Наука. Физматлит, 2002. 384 с.

22. Chylek P., Folland С.К., Dijkstra H.A., Lesins G. Ice-core data evidence for a prominent near 20 year time-scale of the Atlantic MultidecadalOscillation// Geophys. Research Letters. 2011. Vol. 38. No. L 13704. Doi:10.1029/2011GL 047501.

23. Steinhilber E, Beer J., Fröhlich С. Total solar irradiance during the Holocene/ZGeophysicalResearch Letters. 2009. Vol. 36. L19704.doi:10.1029/2009GI040142

24. Mikushina O.V., Klimenko V.V., Dovgalyuk V.V. History and forecast of solar activity // Astronomical and Astrophysical Transactions. 1997. Vol. 12. No. 4.P. 315-326.

о с

СЦ <