Номер 9(78)  сентябрь 2016 года
mobile >>>
Виталий Шрайбер

Виталий Шрайбер Глобальное потепление: история в лицах и фактах

(продолжение, начало в № 8/2016)

Глава 2.  Иные времена – иные средства

Что можно сделать с помощью компьютера и поддержки Военно-Морского Ведомства. Углекислотная теория климата Гильберта Пласса 

Следующий рывок в науке о парниковом эффекте произошел в конце сороковых - начале пятидесятых годов. Этому благоприятствовали следующие обстоятельства.

 После Второй Мировой Войны Военно-Морское Ведомство Соединенных Штатов, осознав, что климат, погода и состояние атмосферы оказывают существенное влияние на ведение боевых действий, особенно в воздухе и на море, начало финансировать научные исследования в области метеорологии, океанографии и физики атмосферы.

 Другим обстоятельством было появление в начале 50-х годов первых коммерческих компьютеров. Как известно, важную роль в этом сыграл выдающийся математик двадцатого столетия  - Джон фон Нейман, разработавший основные принципы построения и функционирования современных компьютеров. Фон Нейману же принадлежала и идея использования компьютеров для прогнозирования погоды и других задач метеорологии. Одним из первых, кто сумел использовать открывшиеся новые возможности, был американский исследователь Гильберт Пласс (Gilbert N. Plass).

  Гильберт Пласс окончил Гарвардский университет в 1941 году. Начало его научной карьеры было отодвинуто войной, во время которой он работал в металлургической лаборатории Чикагского университета, участвовавшей в легендарном Манхэттенском Проекте. В 1947 году Пласс получил PhD в Принстоне и был принят на должность ассистента в университет Джона Хопкинса, где сосредоточился на исследованиях инфракрасного излучения и его распространения в атмосфере. Эти исследования как раз и финансировались Военно-морским ведомством (Office of Naval Research).

Работа Пласса, по существу, являлась прямым продолжением работ Аррениуса и Каллендера [1, 2], только модель была совершеннее, а уровень расчетов - выше.

  Проблема якобы полного перекрывания полос воды и СО2 перед Плассом уже не стояла. Благодаря прогрессу теории и техники молекулярной спектроскопии ИК спектры простейших газов к этому времени были исследованы с более высокой точночтью, и Пласс располагал данными, которые ясно показывали, что полного перекрывания нет. Вместе с тем, однако, выявилась необходимость учитывать весьма тонкие спектроскопические эффекты, о которых его предшественники не имели представления.

 В предыдущей главе мы уже говорили о том, что полосы поглощения паров воды и углекислого газа, как и других молекулярных газов, имеют тонкую структуру, связанную с вращением молекул. На рисунке 6, приведенном в главе 1, видно, что полосы состоят из набора близко расположенных узких линий, отделенных друг от друга так назваемыми "микроокнами прозрачности". Обнаружить эту структуру можно только на хорошем приборе, то есть на спектрометре с достатчно высокой разрешающей способностью. Интенсивность, ширина, форма и степень перекрывания этих линий меняется с изменением температуры и давления. А это значит, что в условиях реальной атмосферы спектр поглощения (или пропускания) газа меняется с высотой, причем не просто пропорционально изменению плотности газа (числа молекул в единице объема), но также и потому что меняются параметры самого спектра.

Таким образом, мысленный атмосферный эксперимент, который должен был моделировать Пласс, сильно отличался от лабораторного. В лабораторном эксперименте свойства газа не меняются внутри кюветы по ее длине. А в атмосфере температура, давление и вместе с ними спектральные характеристики меняются по высоте атмосферного столба.

 

Рис. 7. Gilbert Norman Plass (1920 – 2004)    

Другое важное отличие состоит в том, что в обычном эксперименте по исследованию спектров поглощения через кювету с образцом газа проходит световой поток от внешнего источника, температура которого намного выше температуры образца, так что излучением самого образца, нагретого проходящим светом, можно пренебречь, в крайнем случае учесть как малую поправку. В задаче Пласса образец - атмосфера - имеет температуру, соизмеримую с температурой источника - Земли. Слой атмосферы, поглотивший полностью или частично проходящее излучение, сам становится источником для следующего слоя. Процесс такого типа обычно называют не поглощением (или пропусканием) излучения, а радиационным переносом. К счастью для Пласса, ему не пришлось придумывать от нуля как решать эту задачу. Подход к решению такой задачи был дан в работах известного астрофизика Карла Шварцшильда (уравнение Шварцшильда для радиационного переноса).

  В 1931 году подобную задачу применительно к распространению в атмосфере потока инфракрасного излучения, в более простом варианте уже решал Эдвард Халберт (Edward O. Hulburt) - ведущий физик, а впоследствии директор лаборатории военно-морского ведомства. 

  Из анализа послойного переноса излучения в атмосфере, выполненного Плассом, следует, что насыщение парникового эффекта не наступает независимо от того насколько сильно поглощение парникового газа. Качественно, "на пальцах" объясняют это следующим образом.

   Допустим, что сравнительно тонкий слой воздуха вблизи поверхности Земли способен полностью поглотить проходящее излучение. Нагретый слой становится источником излучения для следующего слоя и т.д. Однако с высотой давление и концентрация молекул падают, и где-то на достаточно большой высоте находится такой слой, который уже не полностью поглощает излучение низколежащего. Часть потока излучения уходит в космос. Если мощность потока излучения, приходящего от Солнца, равна мощности излучаемой в космос, то система находится в равновесии.

Добавим в атмосферу некоторое количество парникового газа, например углекислого газа. Из-за этой добавки последний слой, откуда излучение покидает атмосферу, окажется теперь на несколько большей высоте. На этой высоте температура ниже, соответственно, мощность излучаемая этим слоем в космос будет меньше, чем до увеличения концентрации газа, то есть температурный баланс окажется нарушенным. Это приведет к тому, что температура всех нижележащих слоев начнет повышаться; и будет повышаться до тех пор пока баланс не восстановится. Таким образом, в принципе любое увеличение концентрации любого парникового газа, будь то вода, двуокись углерода или иные газы, имеющие полосы поглощения в области излучения Земли, может сказаться на тепловом балансе планеты с атмосферой и привести к повышению ее средней температуры. Следовательно, Ангстрем был неправ, утверждая, что парниковый эффект земной атмосферы уже насыщен. 

 Пласс разработал методику численного решения уравнения Шварцшильда для спектральных линий различной формы и степени перекрывания, с учетом различия между узконаправленным потоком (типа используемого в лабораторных измерениях) и широким сильно расходящимся потоком, испускаемым полусферой (Землей) [3]. Решать и вычислять все это вручную, как делали Аррениус или Каллендер, было абсолютно немыслимо. Однако Пласс получил доступ к одному из лучших тогдашних компьютеров типа MIDAC. С помощью компьютера он рассчитал значения восходящего и нисходящего потоков инфракрасного излучения в спектральной области, включающей полосу СО2 вблизи 15 микрон, с шагом 1 километр от поверхности Земли до высоты 75 километров для трех различных значений концентрации углекислого газа. Это позволило ему вычислить изменение температуры на любом уровне при изменении концентрации углекислого газа. Согласно результатам его расчетов, удвоение концентрации СО2 приведет к повышению температуры земной поверхности на 3.6º С, а уменьшение концентрации вдвое - примерно к такому же понижению температуры [4].

Не ограничиваясь чистой физикой, Пласс анализировал также баланс углекислоты в природе, кислотно-основное равновесие в океанской воде, обмен углекислым газом между океаном и атмосферой и влияние всех этих факторов на климат. В итоговой публикации 1956 года "The Carbon Dioxide Theory of Climatic Change" [5] Пласс перечисляет следующие факты и явления, которые, по его мнению, могут быть поняты и объяснены на базе "углекислотной" теории климата.

1. Периодические осцилляции температуры планеты и переходы от образования (или увеличения площади) ледников к их исчезновению (уменьшению).

2. Одновременное понижение температуры и увеличение количества осадков, которое, по мнению ряда ученых, необходимо для формирования толстого ледового покрова. Такого рода одновременность, по мнению Пласса, невозможно объяснить в рамках предположений об уменьшении интенсивности поступающей на Землю солнечной радиации, но можно объяснить, если предпожить, что имело место  уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере.

3. Наличие значительной временной задержки (порядка нескольких миллионов лет) между эпохой формирования горных массивов и последующей эпохой оледенения.

4. Наступление самого мощного за всю историю Земли процесса оледенения именно в конце Каменноугольной эпохи.

5. Синфазное повышение температуры обоих полушарий, начавшееся примерно после 1890 года, причем более значительное потепление в Северном полушарии.

  В заключение Пласс написал, что ежегодное добавление в атмосферу 6 х 109 тонн СО2 (данные 1956 года) из-за сжигания углеводородных топлив вкупе с вырубкой и сокращением лесных массивов на несколько порядков превосходит эмиссию СО2 естественными природными источниками и нарушает баланс углекислого газа в природе. По мнению Пласса, абсорбция избыточного углекислого газа мировым океаном происходит медленно из-за медленного перемешивания поверхностных слоев, насыщенных углекислотой, с глубинными слоями. Так что значительная часть поступившиего в атмосферу СО2 остается там на столетия, а его общая концентрация в атмосфере растет быстрее, чем когда-либо в истории Земли.

Я не берусь судить, насколько точны эти оценки Пласса; не могу даже более подробно изложить - это заняло бы слишком много места. Весьма возможно, что в чем-то Пласс ошибался, в чем-то был неточен. Однако я считаю необходимым подчеркнуть сам факт, что Пласс размышлял об этих проблемах и анализировал их, писал об этом (как, впрочем, и те, кто работал в этом же русле в последующие десятилетия). Об этом важно сказать, так как во многих публикациях критиков концепции влияния антропогенной эмиссии СО2 на климат читатели найдут слова о том, что климатические изменения многкратно уже имели место в истории Земли, что климат вообще неустойчив; что периоды потепления неоднократно сменялись периодами похолодания и даже образования ледников, и все это происходило без малейшего участия человечества; что океан содержит в 100 раз больше углекислоты, чем атмосфера, и потому избыток углекислоты, добавляемый индустрией, полностью поглощается океаном; что главной и практически единственной причиной климатических изменений является изменение мощности солнечной радиации и т.д. и т.п. И у читателей создается впечатление, что адепты теории глобального потепления - то ли полные невежды, которые не знают простых и фундаментальных фактов, то ли намеренно их игнорируют. А в действительности - и знали, и не игнорировали, а хорошо ли, плохо ли, но учитывали, анализировали и включали в свои теории. 

  Гильберту Плассу работать было легче, чем Каллендеру: Пласс не был одинок. У него уже были предшественники и соавторы. Был у него и конкурент - Льюис Каплан (Lewis D. Kaplan). Каплан работал сначала в Национальном Бюро Погоды, а затем в Массачузетском Технологическом Институте. И финансировало его исследования, конечно же ... Военно-Морское ведомство. Как и Пласс, Каплан опубликовал ряд статей: об ИК спектре углекислого газа, о функции  пропускания атмосферы в инфракрасной области, о способе решения интегрального уравнения Шварцшильда, о влиянии углекислого газа на тепловой баланс в атмосфере. Работы Пласса и Каплана качественно согласуются, но Каплан пришел к выводу, что цифра 3.6º С, полученная Плассом, является завышенной в два - три раза, то есть реальная величина равна 1.0 - 1.5º С. Но такое изменение температуры, по мнению Каплана, уже недостаточно велико, чтобы стать причиной наступления или отступления оледенений. Соответственно, и изменение содержания углекислоты в атмосфере, способное вызвать такие климатические катаклизмы, должно быть не в два раза, а значительно больше.

  Может возникнуть вопрос: зачем Военно-Морскому ведомству США понадобилось финансировать эти исследования? Вряд ли влияние эмиссии углекислого газа на климат и проблематичное, в отдаленном будущем изменение климата очень волновали ведомство. Но и выбрасывать денежки на ветер наверно тоже было не в традициях этого ведомства. Мне кажется, дело обстояло следующим образом. Военно-Морское ведомство наверняка очень интересовали процессы распространения и переноса любых излучений в атмосфере, в том числе, и теплового инфракрасного излучения. А все названные мной исследователи как раз и были специалистами в этом деле. Эдвард Халберт известен не только упомянутой работой по переносу инфракрасного излучения, но в еще большей степени исследованиями распространения радиоволн в ионосфере. Я нашел упоминания фамилии Пласса в связи проблемой обнаружения ракет по их инфракрасному излучению. Льюис Каплан впоследствие работал в JPL (Jet Propulsion Laboratory), сотрудничал с NASA и принимал участие в разработке инфракрасных радиометров для космического корабля МАРИНЕР. Думаю, что все они были специалистами высокого класса и честно отработали деньги полученные от Военно-Морского Ведомства, которое не возражало, чтобы наряду с нужными ему прикладными исследованиями они время от времени занимались чисто научными проблемами.  

 Был ли Гильберт Пласс алармистом?

 Работы Пласса были, по всей вероятности, первыми исследованиями, касающимися проблемы влиния человеческой деятельности на климат, о которых стало известно широкой публике. В 1956 году вышла статья Пласса в нучно-популярном журнале American Scientist [6]. Затем в газете New York Times появилась заметка под названием "Warmer Climate on the Earth May Be Due To More Сarbon Dioxide in the Air" [7]. В заметке утверждалось, что исследования, выполненные доктором Плассом при поддержке Военно-Морского Ведомства, показывают, что эмиссия углекислого газа в технологических процессах уже значительно превышает эмиссию вулканов и гейзеров и что дальнейшее увеличение содержания углекислого газа в атмосфере может привести к заметному изменению климата в сторону потепления.

   Можно ли в связи с этим назвать Гильберта Пласса "алармистом"? Мне кажется, что скорее - нет, хотя, строго говоря, надо все-таки дать определение этому термину. Я попытаюсь это сделать дальше. А пока, сообщу лишь что думает по этому поводу один бывший студент Пласса, судя по всему, не лишенный чувства юмора.

На вэб-сайте "Real Climate" я натолкнулся на заметку сотрудника NASA Гэвина Шмидта "The carbon Dioxide Theory of Gilbert Plass", опубликованную в январе 2010 года. Среди откликов на заметку оказался отклик некоего Джона Пирсона, который сообщил, что в начале 80-х годов в университете Техаса слушал курс лекций Пласса по современной физике (то есть "специальную теорию относительности и основы квантовой механики для идиотов"). Лекции так понравились Пирсону, что он до сих пор хранит конспект. И, хотя всех остальных педагогов он давно забыл, но Пласса помнит прекрасно. О своей теории климата Пласс упоминал лишь мельком, но Пирсон помнит и это, так как имел долгие бурные дискуссии со своей girl friend из-за глобального потепления: девушка очень не любила холодную погоду и считала, что глобальное потепление - это хорошо. А в целом Пласс был отличным парнем и внимательно относился к студентам. Считать его алармистом, по мнению Пирсона, просто смешно, ибо Пласс отличался мягкой и доброжелательной манерой поведения и всегда был одет как истинный джентельмен: пиджак и галстук - бабочка. Единственное, что способно было вывести Пласса из равновесия - это дурацкая привычка кадетов из Техасского Корпуса A & M вывешивать объявления о своих пивных вечеринках на доске объявлений отделения физики. Пласс этого совершенно не выносил, это приводило его в ярость. Но во всем остальном это был очень уравновешенный и спокойный человек.

 Ну, действительно, разве можно такого человека считать алармистом?!

  

Значение работ Пласса

 Работы Гильберта Пласса положили начало компьютерному моделированию как одному из способов исследования парникового эффекта и воздействия на него антропогенных факторов. Модель Пласса можно рассматривать как приближение более высокого порядка, чем модель Аррениуса, но все-таки лишь как приближение, все еще далекое от полного анализа сложнейшей экологической системы, какой является Земля вместе с атмосферой. Ряд очень важных факторов, имеющих влияние на температуру Земли и атмосферы остались неучтенными.

 Во-первых, модель Пласса была одномерной - атмосферный столб. Все изменения, все процессы - только по высоте. Перемещения воздуха и перенос тепла в горизонтальном направлении в этой модели отсутствовали. Во-вторых, хотя Пласс анализировал обмен углекислотой с океаном, обмен теплом с океаном и взаимосвязь температуры и влажности не анализировались. В третьих, в модели отсутствовали облака и аэрозоли, являющиеся, как стало ясно позднее, очень важными факторами, влияющими на распределение температуры. В-четвертых, исследуя изменение температуры при изменении содержания углекислого газа, Пласс считал неизменными все остальные свйства и параметры системы, а это нереально. Уже и в то время было известно, что в экологических системах все взаимосвязано, и обратные связи играют важную роль. Таким образом, не умаляя ничуть заслуг Пласса можно сказать, что до окончательного - даже модельного, теоретического - решения проблемы GW было все еще далеко.

 Вместе с тем, публикации Пласса, Каплана и их соавторов, выполненные на весьма высоком для тех лет уровне и под эгидой Военнно-Морского Ведомства США, несомненно, привлекли большее внимание метеорологического сообщества, чем работы Каллендера, на которых лежал некий отпечаток доморощенности. Выводы, сделанные Плассом, не содержали утверждений, что эмиссия углекислого газа уже достигла опасной черты или что всемирное потепление уже идет и т.п. Однако ему удалось продемонстрировать, что проблема заслуживает дальнейшей разработки. При этом для тех, кто пожелал бы принять в этом участие, открывалось довольно обширное поле деятельности, включающее физику атмосферы - оптику, спектроскопию, термодинамику, исследования теплообмена и молекулярного обмена между атмосферой и океаном, разработку методов аккуратного измерения температуры планеты и концентрации углекислого газа, компьютерное моделирование и т. д.

 И появление желающих заняться этими вопросами не заставило себя долго ждать.

 (продолжение следует)

Литература к главе 2

 1. Swante Arrhenius. On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of    the Ground". - Philosophical Magazine 41, 237 - 276 (1896).

2. G. S. Callender. The artificial Production of Carbon Dioxide and Its Influence on     Temperature. - Quarterly Journal of Royal Meteorological Society, 64, 223-240.

3. G. N. Plass and D. I, Fivel. A method for the integration of the radiative-transfer equation. –    Journal of Meteorology 1955, 12, 191 -200.

4. Gilbert N. Plass. Infrared radiation in the atmosphere - American Journal of Physics,     1956, 24:303–321.

5. Gilbert N. Plass. The carbon dioxide theory of climatic change – Tellus, 1956, 8:140–154.

6. Gilbert N. Plass. Carbon dioxide and climate - Scientific American, 1959, July, 41–47.

7. W. Kaempffert. Warmer Climate on the Earth May Be Due To More Сarbon Dioxide in     the Air//.  New York Times, 1956, Oct 28. 


К началу страницы К оглавлению номера
Всего понравилось:2
Всего посещений: 252




Convert this page - http://7iskusstv.com/2016/Nomer9/Shrajber1.php - to PDF file

Комментарии:

presentation by Lord Monckton
- at 2016-10-05 16:57:29 EDT
September 20 2016; Major Math Errors Discovered (by lord Christopher Monckton):
https://www.youtube.com/watch?v=58MEotH79rg&feature=youtu.be
https://chemtrailsplanet.net/2016/09/20/major-math-errors-discovered-co2-not-significant-driver-of-global-warming/

_Ðåêëàìà_




Яндекс цитирования


//