За последнее столетие научное понимание изменения климата продвинулось от предварительной гипотезы к надежной, многодисциплинарной области. Исследователи тщательно проследили, как человеческая деятельность - особенно крупномасштабное сжигание ископаемого топлива - увеличила концентрации парниковых газов в атмосфере, усиливая естественный парниковый эффект Земли. Это усиленное потепление приводит к каскаду экологических изменений, от поднимающихся морей до экстремальных погодных условий, которые теперь очевидны на каждом континенте. Путь к сегодняшнему научному консенсусу основан на физике 19-го века, ускоренный к середине 20-го века наблюдательные прорывы и постоянно совершенствуется с помощью спутниковых технологий, передовых климатических моделей и глобального сотрудничества.

Исторические основы: от Фурье до эффекта календара

Интеллектуальная линия климатологии начинается с Джозефа Фурье, который в 1820-х годах предложил, чтобы атмосфера Земли действовала как изолирующее одеяло, сохраняя планету теплее, чем она была бы в вакууме. В то время как Фурье не определил конкретный механизм, его аналогия заложила основу для понимания энергетического баланса нашей планеты. В 1856 году американский ученый Юнис Ньютон Футе провела простые эксперименты со стеклянными цилиндрами, содержащими различные газы и солнечный свет. Она правильно пришла к выводу, что углекислый газ и водяной пар улавливают тепло, и прозорливо отметила, что атмосфера, богатая CO2, повысит температуру Земли. Работа Футе, представленная в Американской ассоциации содействия развитию науки, была одной из первых, которая связала CO2 непосредственно с потеплением, хотя ее вклад исторически недооценивался.

Несколько лет спустя ирландский физик Джон Тиндалл (John Tyndall) провел строгие лабораторные измерения, демонстрируя, что газы, такие как углекислый газ, метан и водяной пар, очень эффективны при поглощении инфракрасного излучения. Тиндалл определил эти «парниковые газы» как контрольную ручку на термостате Земли, глубокое понимание, которое остается центральным в современной климатологии. Его эксперименты доказали, что даже небольшие изменения концентрации CO2 могут изменить температуру поверхности, хотя в то время понятие человеческого вмешательства в глобальный климат казалось отдаленным.

Первая количественная связь между сжиганием ископаемого топлива и климатом была сделана шведским химиком Сванте Аррениусом в 1896 году. После кропотливых расчетов эффекта поглощения тепла CO2 Аррениус оценил, что удвоение атмосферного CO2 согреет планету примерно на 5-6 ° C — значение, которое, хотя и выше, чем лучшие сегодняшние оценки, было удивительно пророческим. Он также признал, что промышленное сжигание угля может в конечном итоге привести к измеримому потеплению, хотя он первоначально рассматривал это как потенциальную выгоду для предотвращения будущих ледниковых периодов, и он недооценил темпы роста выбросов.

На протяжении десятилетий идея антропогенного изменения климата оставалась любознательной. Преобладающим предположением было то, что океаны поглощают любой избыток CO2, и многие ученые полагали, что только водяной пар доминирует над парниковым эффектом. Эта перспектива начала меняться в середине 20-го века, во многом благодаря тщательной работе английского парового инженера Гай Стюарт Каллендар . В 1938 году Каллендар представил доказательства того, что глобальные температуры выросли за предыдущие 50 лет, составленные из сотен метеостанций. Он соотнес это потепление с 10%-ным увеличением атмосферного CO2 с конца 19-го века, проводя прямую линию от сжигания ископаемого топлива до накопления газа. Расчеты Каллендара климатической чувствительности к CO2 были удивительно близки к современным значениям, и его усилия - часто перед лицом скептицизма - помогли воскресить интерес к тому, что стало известно как «эффект Каллендара».

Рассвет систематического наблюдения: Килинг и рекорд Мауна-Лоа

Самый знаковый научный прогресс пришел в 1958 году, когда Чарльз Дэвид Килинг начал непрерывные измерения атмосферного CO2 на вершине Мауна-Лоа на Гавайях. Удалённое местоположение, вдали от основных промышленных источников, обеспечило чистый полусферный сигнал. Тщательная техника Килинга вскоре показала устойчивый ежегодный прирост, наложенный на сезонный плафон, обусловленный дыханием растений. Кривая Килинга стала единственным наиболее убедительным доказательством того, что человеческая деятельность меняла состав атмосферы. К 1960-м годам повышение было безошибочным: уровни CO2 поднимались от доиндустриального базового уровня примерно 280 частей на миллион (ppm) к 315 ppm, и они с тех пор продолжают расти, превышая 420 ppm в последние годы.

Параллельные достижения в палеоклиматологии добавили решающий контекст. Анализируя пузырьки воздуха, захваченные в ледяных кернах из Антарктиды и Гренландии, ученые могли реконструировать состав атмосферы, растянувшийся на 800 000 лет. Эти записи, наиболее известные из проектов глубокого бурения Vostok и EPICA, показали, что CO2 и температура двигались в ногу через ледниково-межледниковые циклы, причем CO2 никогда не превышал 300 ppm до промышленной эпохи. Ледяные керны также показали, что нынешние темпы увеличения CO2 беспрецедентны по крайней мере за 800 000 лет, что является резким отходом от любых естественных изменений.

Технологический скачок: спутники, суперкомпьютеры и глобальные сети

Во второй половине 20-го века произошла технологическая революция, которая изменила климатологию. Запуск метеорологических спутников в 1960-х годах и более поздних платформ наблюдения Земли, таких как TIROS , Landsat и Aqua и Sentinel , предоставил глобальный взгляд на температуру, морской лед, растительность и состав атмосферы. Спутниковые измерения высоты поверхности моря подтвердили ускорение повышения уровня моря, в то время как радиометры отслеживали энергетический дисбаланс планеты — разницу между поступающей солнечной радиацией и исходящей длинноволновой радиацией. Этот энергетический дисбаланс, теперь твердо количественно, непосредственно подтверждает усиленный парниковый эффект.

Не менее важным был рост численных климатических моделей. Ранние работы в 1950-х и 1960-х годах, впервые проведенные Норманом Филлипсом и Сюкуро Манабе , заложили основу для общих моделей циркуляции, которые сочетали динамику атмосферы с физикой излучения. В новаторской статье Манабе 1967 года, в соавторстве с Ричардом Ветеральдом, использовалась упрощенная компьютерная модель, чтобы показать, что увеличение CO2 будет нагревать тропосферу при охлаждении стратосферы — отличительный «отпечаток» парниковых газов, который с тех пор был подтвержден наблюдениями. К 1980-м годам модели включали в себя обратную связь с углеродным циклом и аэрозоли. Сегодняшние модели системы Земли, работающие на суперкомпьютерах пета-масштаба, могут имитировать климат с потрясающей точностью, помогая приписывать обнаруженные изменения влиянию человека и проектировать будущие сценарии под различными путями выбросов.

Ключевые вехи в науке и политике в области климата

  • 1979: Первая Всемирная конференция по климату признает, что «продолжающееся расширение деятельности человека на Земле может вызвать значительные региональные и даже глобальные изменения климата».
  • 1985: Конференция Виллаха, организованная Всемирной метеорологической организацией и другими органами, приходит к выводу, что увеличение парниковых газов может привести к повышению температуры больше, чем в любой другой истории человечества.
  • 1988: Джеймс Хансен свидетельствует перед Конгрессом США, что глобальное потепление уже можно обнаружить.В том же году создана Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) для предоставления авторитетных оценок науки.
  • 1990: В первом оценочном докладе МГЭИК говорится, что «выбросы, возникающие в результате деятельности человека, существенно увеличивают концентрации парниковых газов в атмосфере», и что глобальная средняя температура поверхностного воздуха за последние 100 лет увеличилась на 0,3-0,6 ° C.
  • 1997: Киотский протокол принят, устанавливая обязательные цели сокращения выбросов для развитых стран, хотя его воздействие остается ограниченным.
  • 2007:] Четвертый оценочный доклад МГЭИК заявляет, что потепление климатической системы является «неэквивационным» и что большая часть наблюдаемого роста глобальных средних температур с середины 20-го века «очень вероятна» (более 90% вероятности) из-за деятельности человека.
  • 2015:] Парижское соглашение принято с целью ограничить глобальное повышение температуры до уровня значительно ниже 2 °C выше доиндустриального уровня, а в идеале до 1,5 °C. В том же году глобальная среднегодовая концентрация CO2 впервые в истории человечества превысила 400 ppm.
  • 2021:] В Шестом оценочном докладе МГЭИК сообщается, что влияние человека нагрело климат беспрецедентными темпами, по крайней мере, за 2000 лет, и что «недвусмысленно» то, что влияние человека нагрело атмосферу, океан и землю.

Роль Межправительственной группы экспертов по изменению климата

МГЭИК не проводит оригинальных исследований; ее сила заключается в синтезе тысяч рецензируемых исследований в всеобъемлющих докладах, которые представляют собой консенсус мирового научного сообщества. Сотни ученых добровольно тратят свое время на обзор и оценку литературы, а отчеты подвергаются многочисленным раундам экспертного и государственного контроля. Результатом является ряд документов, которые предоставляют политикам четкие, политически релевантные - но не директивные - руководства. Отчеты МГЭИК по оценке становятся все более изощренными, включая более подробные региональные прогнозы, лучшую количественную оценку неопределенностей и более глубокую интеграцию социально-экономических путей. Они служили научным хребтом для международных переговоров, от Киото до Парижа и за его пределами.

Несколько линий доказательств и приписывание изменений

Сегодняшний научный консенсус по изменению климата основывается не на одном курящем пистолете, а на нескольких независимых линиях сходящихся доказательств. Записи термометров с тысяч наземных станций и измерения на основе кораблей показывают глобальное потепление примерно на 1,1 ° C с конца 19-го века, причем каждое из последних четырех десятилетий последовательно теплее, чем любое десятилетие с 1850 года. Записи температуры тропосферы спутников, хотя и подвержены более краткосрочной изменчивости, тесно согласуются с данными о поверхности. Содержание тепла в океане резко возросло, причем более 90% избыточной энергии, захваченной парниковыми газами, поглощенными морями, вызывают тепловое расширение и повышение уровня моря. Протяженность арктического морского льда сократилась примерно на 40% в течение позднелетнего минимума по сравнению с 1980-ми годами, в то время как ледяные щиты Гренландии и Антарктики теряют массу с ускорением. Глобальный средний уровень моря вырос примерно на 20 см с 1900 года, причем скорость почти удвоилась в последние десятилетия.

Помимо физических тенденций, ученые используют формальные исследования «обнаружения и атрибуции», чтобы отличить человеческое воздействие от естественной изменчивости. Эти исследования сравнивают наблюдаемые закономерности изменения с ожидаемыми отпечатками от парниковых газов, солнечных вариаций, извержений вулканов и внутренней динамики климата. Потепление нижней атмосферы и охлаждение стратосферы, например, не может быть объяснено только природными факторами, но является четкой подписью роста CO2. Аналогичным образом, наблюдаемое увеличение удельной влажности поверхности, сдвиг полюсов штормовых следов и измеренное увеличение тепловых волн согласуются с миром, усиленным парниковым эффектом, и несовместимы с альтернативными драйверами. Вероятность того, что наблюдаемое потепление связано только с естественными причинами, является исчезающе малой; последний доклад МГЭИК ставит человеческий вклад в основном на 100%.

Наблюдаемые и прогнозируемые последствия

Физические изменения, которые приводятся в движение, уже имеют глубокие последствия для экосистем и человеческих обществ. Тепловые волны, которые когда-то были статистически невероятными, становятся все более частыми, интенсивными и длительными. Европейская жара 2003 года, российская жара 2010 года и «тепловой купол» Тихоокеанского Северо-Запада 2021 года представляют собой события, которые были бы практически невозможны без изменения климата. Интенсивные осадки и наводнения усиливаются, потому что более теплая атмосфера содержит больше влаги, в то время как многие сухие регионы становятся более сухими, усугубляя риск лесных пожаров. Частота и интенсивность сильнейших тропических циклонов увеличились во многих океанских бассейнах, а связанные с штормом осадки выросли во всем мире.

Океан поглощает примерно четверть выбросов CO2, вызванных деятельностью человека, что приводит к 30%-ному увеличению кислотности поверхности, что угрожает формирующим раковину организмам и коралловым рифам. События обесцвечивания кораллов, когда-то редкие, теперь повторяются с тревожной регулярностью, как это видно на Большом Барьерном рифе и в других местах. Распределение видов сдвигается в сторону полюса и вверх по высоте, изменяя экосистемы и бросая вызов сельскому хозяйству, лесному хозяйству и рыболовству. Риски продовольственной безопасности, по прогнозам, будут расти, особенно в регионах с низкой широтой, в то время как дефицит воды, уже вызывающий озабоченность, будет усиливаться во многих засушливых районах.

Социально-экономические последствия усугубляют физические угрозы. Прибрежные сообщества сталкиваются с наводнением от повышения уровня моря и штормовых нагонов, при этом ущерб, по прогнозам, будет стоить триллионы долларов к концу века, если выбросы продолжатся без изменений. Связанное с климатом перемещение и миграция увеличиваются, а общественное здравоохранение находится под угрозой от теплового стресса, переносимых переносчиками болезней, расширяющих их диапазоны, и проблем психического здоровья после экстремальных событий. Экономическая оценка Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA) показывает, что миллиардные погодные и климатические катастрофы стали значительно более частыми, причем среднегодовой показатель в Соединенных Штатах вырос с примерно трех событий в 1980-х годах (с поправкой на инфляцию) до более чем 20 в последние годы.

Климатические модели и прогнозы на будущее

Климатические модели продвинулись от расчета основных энергетических балансов до моделирования полной сложности взаимосвязанных систем Земли. Текущее поколение моделей, представленных фазой 6 проекта совместного моделирования (CMIP6), включает динамическую растительность, интерактивные углеродные циклы, химию атмосферы и динамику ледяного покрова. Они тщательно протестированы против исторических наблюдений и палеоклиматических реконструкций, таких как последний ледниковый максимум и теплый период середины плиоцена, чтобы обеспечить их реакцию планеты на радикально разные уровни CO2.

Будущие прогнозы зависят от предположений о социально-экономическом развитии и путях выбросов. Наиболее часто используемые сценарии, Общие социально-экономические пути (SSP), исследуют диапазон от очень низких выбросов (SSP1-1.9, согласованный с целью Парижа 1,5 ° C) до очень высоких выбросов (SSP5-8.5, будущее с неослабевающим использованием ископаемого топлива). В сценариях с высоким уровнем выбросов глобальная температура поверхности может повыситься на 4 ° C или более к 2100 году, сопровождаясь почти метром повышения уровня моря и виртуальным исчезновением летнего арктического морского льда до середины века. При амбициозном смягчении потепление может быть ограничено примерно 1,5 ° C, но только если глобальные выбросы CO2 достигнут чистого нуля примерно к 2050 году. Даже в лучших сценариях некоторые изменения, такие как повышение уровня моря и подкисление океана, будут продолжаться в течение веков из-за инерции в климатической системе.

Сохраняются неопределенности, особенно в отношении обратной связи облаков, чувствительности ледяных щитов к динамическому коллапсу и поведения естественных поглотителей углерода. Однако неопределенность не подразумевает невежества: наиболее вероятный диапазон чувствительности климата сузился со временем примерно до 2,5-4 °C на удвоение CO2, на основе объединения данных современных наблюдений, палеоклиматических записей и моделей. Это означает, что существенное будущее потепление практически наверняка, если выбросы продолжатся нынешними темпами.

Смягчение, адаптация и путь вперед

Понимание научных корней изменения климата подчеркивает неотложность действий. Усилия по смягчению последствий направлены на сокращение выбросов парниковых газов за счет использования возобновляемых источников энергии, энергоэффективности, электрификации транспорта и промышленности, а также защиты и восстановления естественных поглотителей углерода, таких как леса и водно-болотные угодья. Расходы на солнечную фотоэлектрическую энергию и береговой ветер резко упали, что делает их самыми дешевыми источниками новой генерации электроэнергии во многих регионах, как документально подтверждено IRENA и другими организациями. Технологические достижения в области аккумуляторов и зеленого водорода ускоряют переход к энергии, хотя темпы все еще должны резко возрасти для достижения парижских целей.

Адаптация также имеет важное значение, поскольку даже если бы выбросы были остановлены в одночасье, потепление, уже совершенное, сохранилось бы. Сообщества укрепляют инфраструктуру против повышения уровня моря, корректируют сроки посадки сельскохозяйственных культур и разрабатывают засухоустойчивые сорта, улучшают системы раннего предупреждения о экстремальных погодных условиях и перепроектируют города для управления теплом и наводнениями. Природные решения, такие как восстановление мангровых зарослей и устойчивое землепользование, обеспечивают сопутствующие выгоды для биоразнообразия и местных средств к существованию при улавливании углерода.

Историческая перспектива также напоминает нам, что само научное предприятие должно продолжать развиваться. Открытые данные, международное сотрудничество и научная целостность были краеугольными камнями прогресса. Переход эпохи пандемии к дистанционному зондированию и виртуальному сотрудничеству продемонстрировал новые способы мониторинга планеты, в то время как гражданские научные инициативы и локализованные модели доносят информацию о климате до большего числа сообществ. Постоянный мониторинг, исследования и прозрачная коммуникация результатов будут оставаться важными, поскольку мир движется в сложном веке.

Вывод: учиться у прошлого, действовать в интересах будущего

Научное понимание изменения климата является одним из величайших интеллектуальных достижений человечества, построенным на цепочке понимания от тепличной аналогии Фурье до расчетов Аррениуса, от измерений пациента Килинга до современных экзафлопсных моделей системы Земли. Эта история показывает, что каждое поколение ученых основывалось на работе предшественников, корректируя и уточняя идеи перед лицом новых доказательств. Результатом является совокупность знаний, которая является как глубокой, так и широкой, оставляя мало места для сомнений в причине и последствиях нашего потепления мира.

Ценить эти исторические корни значит больше, чем освещать прошлое; это подчеркивает чрезвычайную ответственность, которую мы несем сейчас. Тот же научный метод, который выявил проблему, также освещает путь к решениям. Путь вперед потребует того же духа любопытства, честности и решимости, который принес нам Кривую Килинга, записи о ледяном керне и отчеты МГЭИК — только теперь применяется не только к пониманию климата, но и к его защите для будущих поколений.