28.06.2017

«Позеленение» Земли ускоряет потепление в холодных районах и тормозит в засушливых

Европейские климатологи во главе с Джованни Форциери (Giovanni Forzieri) из Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии, изучая спутниковые снимки, обнаружили необычную связь между позеленением планеты, идущим из-за глобального потепления, и изменением средних температур в зонах засушливого и умеренного климата. В умеренном климате позеленение, как и ожидалось, ведет к ускорению роста температур. Неожиданным оказался другой вывод работы: распространение растительности в засушливых зонах тормозит там дальнейшее потепление.

В последние годы накапливается всё больше фактических данных о том, что рост содержания углекислого газа в атмосфере и вызванное этим повышение температур ведут к так называемому «масштабному позеленению» (widespread greening) — увеличению площади растительного покрова. В этой работе было установлено, что на 25–50% земной суши, покрытой растительностью (данные разнятся в зависимости от конкретного спутника, поскольку снимки делались в разное время) увеличивается индекс листовой поверхности (ИЛП, или листовой индекс; см. также Leaf Area Index, LAI) — площадь листвы на единицу поверхности суши. На менее чем 4% он, наоборот, падает, причем места этого падения совпадают с районами активной вырубки лесов.

Чтобы понять, какие факторы отвечают за позеленение планеты, авторы этого исследования 2016 года моделировали процесс позеленения, «усиливая» или «ослабляя» в нем отдельные параметры и оценивая, как это влияет на увеличение или уменьшение интенсивности моделируемого явления. В модель при этом были заложены основные воздействия, которые оказывает на растения деятельность человека. В результате выяснилось, что 70% от зафиксированного роста ИЛП обеспечивается ростом концентрации углекислого газа в атмосфере: «выключив» этот параметр, исследователи получили снижение моделируемого позеленения на 70%. Механизм такого влияния CO₂ в модели был двояким. Во-первых, углекислый газ — главный «строительный материал» растений, так как именно из него в процессе фотосинтеза строятся органические молекулы. Во-вторых, его избыток снижает потребность растений в воде. Чтобы получить углекислый газ из воздуха, растения приоткрывают устьица. Чем больше CO₂, тем меньше нужная им поверхность устьиц (см. H. J. de Boer et al., 2011. Climate forcing due to optimization of maximal leaf conductance in subtropical vegetation under rising CO₂). Поскольку через устьичные щели также идет испарение воды, уменьшение их площади замедляет потерю влаги. А когда растения получают больше двуокиси углерода, а потеря ими воды при дыхании падает, они активнее разрастаются и индекс площади листьев увеличивается.

Из данных того же моделирования (когда авторы вновь «включали» и «выключали» те или иные факторы и сравнивали итоги моделируемого «позеленения») следует, что на 8% за этот процесс отвечает рост среднегодовых температур, позволяющий растительности продвигаться туда, где раньше была тундра. Еще 9% дали азотные удобрения, которые, после их внесения, постепенно распространяются за пределы сельскохозяйственных площадей. Остальные 13% пришлись на посадки лесов (в основном в КНР и США), сокращение сельхозугодий и прочие факторы. Европейская часть России относится к регионам, где позеленение сказалось сильнее всего. Поскольку воздействие тех или иных факторов по странам не изучалось, конкретные причины позеленения для нашей страны указать сложно.

Климатологи из Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии и Гентского университета (Бельгия) под руководством Джованни Форциери (Giovanni Forzieri) решили выяснить, каким было прошлое, фактическое влияние позеленения планеты на глобальное потепление в 1982–2011 годах. Для этого они взяли спутниковые снимки за этот период (массив данных Global Inventory Modeling and Mapping Studies), сравнили изменения ИЛП по различным регионам мира (рис. 2, A) и таким образом уточнили оценку своих коллег, сделанную годом ранее.

Согласно результатам работы группы Форциери, статистически значимое позеленение наблюдалось на 46% всей суши, покрытой растительностью (а всего ею покрыто 85% суши). Это значительно конкретнее прошлогодней оценки (в диапазоне 25–50%), поскольку в той работе использовали еще один массив спутниковых снимков, относившихся к периоду до 2014 года, и увязать данные разных лет без потери точности не получалось. Исключив данные 2011–2014 годов, удалось получить более точную оценку.

Статистически значимым называют результат, вероятность случайного возникновения которого мала. Как правило, границей значимости считается так называемый p-уровень, равный 0,05. При p-уровне в 0,05 имеется вероятность 5%, что найденная в выборке связь между переменными (здесь — рост ИЛП с течением времени) является лишь случайной особенностью данной выборки. Если зависимость между переменными на деле отсутствует (нулевая гипотеза, в данном случае — что ИЛП с течением времени не растет), то ожидать обнаружения такой же или более сильной зависимости между переменными можно лишь в одной из двадцати выборок наблюдательных данных.

После сравнения изменения ИЛП в различных регионах планеты данные снимков закладывали в модель, описывающую получение земной поверхностью тепла в виде излучения Солнца и его последующую потерю. Получаемое тепло рассчитывалось как сумма длинноволнового излучения Солнца и коротковолнового излучения, поглощенного поверхностью Земли (Rα). К потерям относили инфракрасное излучение, уходящее в космос (LWout), ощущаемую (неизотермическую) теплоту (H) и скрытую (изотермическую) теплоту (в модели LE). Скрытой называют теплоту, поглощаемую или высвобождаемую термодинамической системой без изменения температуры в этой системе, например при испарении воды (см. Скрытая и ощущаемая теплота). Расчет теплового баланса велся по LWout ≡ Rα — LE — H. LE рассчитывался из данных по дыханию растений.

Для вычисления объема воды, испаряемой растениями в тех или иных условиях, использовалась модель Global Land Evaporation Amsterdam Model Version 2b (GLEAM v2B). Чтобы выяснить, насколько отсутствие позеленения изменило бы наблюдаемые в различных регионах температуры, данные, рассчитанные по описанной выше схеме, сопоставляли с фактической зафиксированной температурой. Если после исключения влияния позеленения модель не воспроизводила наблюдаемые температуры, авторы заключали, что увеличение индекса поверхности листьев обусловило либо потепление, либо похолодание.

Хотя сдвиги ИЛП за период наблюдений повсеместно меняли отражательную способность земной поверхности, последствия этих изменений были разными. В зонах, где среднегодовая температура ниже 280 К (6,85 °C, районы холодного или умеренного климата), поверхность теряла тепло в основном в виде инфракрасного излучения, уходящего в космос. Районы интенсивного позеленения для холодных регионов совпали с областями более быстрого роста температур (рис. 2, C). В частности, это случилось в Канаде и Центральной Европе.

Как показали расчеты, это произошло, поскольку суша, покрытая растительностью, отражает солнечное излучение значительно слабее, чем лишенная ее (меньше ее LWout). Правда, в Северной Америке и Евразии этот эффект был практически полностью компенсирован вырубками и лесными пожарами (там LWout из-за этого возрос). Без них, согласно расчетам, рост температур в данных районах был бы заметно выше. Это не значит, что потепление здесь остановилось. По данным исследования, оно шло, но воздействие позеленения на него локально было сведено практически к нулю. Когда в модель закладывали изменение климата в холодных зонах без учета позеленения, то рост среднегодовых температур получался на 9% меньше наблюдаемого на практике. Из этого авторы делают вывод, что за счет тех районов умеренного климата, где вырубок не было, позеленение усилило текущее потепление в холодных районах на 10%.

Зато там, где среднегодовая температура превышала 290 К (16,85 °С, зона жаркого климата), неожиданно большую роль в региональном тепловом балансе сыграли потери через скрытую теплоту (LE в рамках модели). Как показали расчеты авторов, увеличение количества растительности, отслеженное по ИЛП, привело к росту количества воды, испаряемой растениями в атмосферу во время дыхания. Из-за этого необычно большая часть энергии терялась поверхностью в виде скрытой теплоты. Это привело к заметному региональному охлаждению поверхности в зонах с жарким климатом. Особенно сильно это проявлялось в зонах, где обычно не так много осадков, — например, в Австралии и Южной Африке (рис. 2, С).

Рассчитанный охлаждающий эффект сработал в климатических зонах, на которые приходится 60% всей наземной растительности. Хотя идущее позеленение не смогло повсеместно компенсировать глобальное потепление, для указанных районов оно уменьшило рост среднегодовых температур на 14%. Для отдельных частей планеты оно сказалось особенно сильно. В Южной Африке, на востоке Южной Америки и в Австралии между 1982 и 2011 годами позеленение опускало среднегодовую температуру на 0,4 К каждое десятилетие. Возможно, это было связано с умеренным количеством осадков в этих районах. Согласно расчетам исследователей, чем осадков меньше, тем заметнее в тепловом балансе той или иной местности доля скрытой теплоты, уходящей на испарение воды растениями.

Исследователи отмечают, что в особенно холодные годы в зонах со среднегодовой температурой меньше 280 К нагревающий эффект позеленения оказывался намного сильнее, чем в «обычные», — вплоть до 5 раз. В зонах жаркого климата в особенно теплые годы охлаждающее воздействие позеленения также проявлялось в несколько раз сильнее. Особо жаркими или особо холодными авторы посчитали годы, когда среднегодовые температуры отклонялись от нормы в ту или иную сторону более чем на 0,5 К. Таким образом, растительность снижала колебания температур в годы, когда они существенно отклонялись от нормы.

В планетарном масштабе эти два эффекта позеленения — «нагревающий» и «охлаждающий» — почти компенсировали друг друга. Их совокупное действие понижает температуру поверхности планеты (в сравнении с вариантом без позеленения) всего на 0,007 К в десятилетие. Наиболее важный глобальный климатический эффект от наступления растительности заключается в том, что, способствуя потеплению в холодных районах и замедляя его в жарком климате, позеленение «выравнивает» земной климат, смягчая его.

Исследователи не концентрировались на вопросе, откуда в засушливых зонах планеты берется вода, которую испаряют осваивающие их растения. Однако еще в 2016 году было показано, что, согласно наблюдениям за последние 60 лет, количество осадков над сушей по всему миру растет (см. M. G. Donat et al., 2016. More extreme precipitation in the world's dry and wet regions), поскольку потепление ведет к росту испарений с морской поверхности. Для сухих регионов Земли рост составляет 1–2% каждое десятилетие. То есть растения используют ту влагу, которая попадает в эти районы за счет более интенсивных дождей.

Новая работа показала, что увеличение площади растительного покрова, вызванное антропогенными выбросами углекислого газа, ускорило потепление в умеренном и холодном климате и в то же время замедлило его в засушливом. Это довольно резкое отклонение от популярных взглядов, согласно которым глобальное потепление будет учащать засухи и интенсивно повышать температуру именно в засушливых климатических зонах. В более ранних работах делался вывод, что Ближний Восток и засушливые тропические области к концу века окажутся на грани непригодности для проживания людей в летнее время (см. S. C. Sherwood and M. Huber, 2010. An adaptability limit to climate change due to heat stress). Даже в тех сценариях развития событий, что не предусматривают такой непригодности, предполагалось, что потепление приведет к снижению урожаев (см. J. Hansen and M. Sato, 2016. Regional climate change and national responsibilities). Отдельные работы утверждали, что процесс снижения урожаев и общей пригодности для обитания уже активно идет (см. C. P. Kelley et al., 2014. Climate change in the Fertile Crescent and implications of the recent Syrian drought).

Данные, появившиеся в последние годы (см. Benjamin D. Stocker et al., 2016. Greening of the Earth and its drivers, а также освещаемая статья), показали, что индекс площади листьев, как и интенсивность осадков, активно растет, в том числе в засушливых зонах (за исключением мест активной вырубки). Однако на более ранние оценки повлиял не только дефицит конкретных данных, из-за которого вероятность роста пустынь рассчитывалась на основе моделирования, а не наблюдаемых тенденций, — cвою роль в их формировании сыграли и соображения теоретического характера. Одним из важнейших среди них было представление об аридизирующей роли ячеек Хэдли.

Ячейкой Хэдли (рис. 3) называют область замкнутой циркуляции воздушных масс в земной атмосфере, наблюдающуюся в низких широтах (от 0 до 30–40 градусов в каждом полушарии). Нагревшийся у поверхности экваториальной зоны воздух поднимается на высоту 10–15 километров и движется к полюсам, после чего постепенно охлаждается и опускается к поверхности планеты. Водяной пар в нем при этом конденсируется и выпадает в виде дождя. В обоих полушариях сухой воздух от 30 градуса движется обратно к экватору, но уже не несет с собой осадков. Именно этот воздух проходит над тропическими пустынями и ответственен за нехватку осадков над ними.

Каждое лето ячейка Хэдли в каждом полушарии сдвигается к своему полюсу. За это отвечает летний рост температур и более медленное остывание воздушных масс при движении к соответствующему полюсу. Из-за этого климатологи долгое время считали, что по мере роста глобальных температур границы ячеек Хэдли будут сдвигаться к полюсам, из-за чего в широтах выше 30 градуса начнется доминирование более сухого воздуха, возвращающегося к экватору на малой высоте. Предполагалось, что это вызовет широкомасштабное опустынивание. Правда, это слабо стыковалось с тем, что в истории Земли уже были периоды более теплого климата, которые не сопровождались масштабной аридизацией (см. Holocene climatic optimum).

Стефан Крёпелин (Stefan Kropelin), известный немецкий исследователь Сахары, исходя из своих наблюдений африканский пустынь и полупустынь, не раз поднимал вопрос о том, что более общие факторы, такие как рост содержания углекислого газа и изменения испаряемости, на деле ведут к позеленению засушливых регионов планеты. Как он отмечал, в Сахаре и Сахеле в последние десятилетия налицо наступление растительности: она появляется там, где ее до того не было. Тем не менее подобные наблюдения было трудно считать исчерпывающими, так как они велись исключительно наземными средствами. Серия новых работ, впервые использующих спутниковые снимки всей земной суши за несколько десятилетий, дает значительно более полную картину, подтверждающую тезисы Крёпелина и противоречащую моделям, предсказывавшим, что потепление вызовет опустынивание в засушливых регионах Земли (см. J. Guiot, W. Cramer, 2016, Climate change: The 2015 Paris Agreement thresholds and Mediterranean basin ecosystems).

Подготовлено по материалам: Giovanni Forzieri, Ramdane Alkama, Diego G. Miralles, Alessandro Cescatti. Satellites reveal contrasting responses of regional climate to the widespread greening of Earth // Science. 2017. V. 356. I. 6343. P. 1180–1184. DOI: 10.1126/science.aal1727.

Александр Березин

Источники:

1. elementy.ru