Что имеем, не храним: альбедо

Отражается небо в лесу, как в воде…

В. С. Высоцкий

Солнце нам не в чем упрекнуть: оно регулярно, без перекуров и реплик типа «подождете, вас много, а я одно!», доставляет к верхней границе атмосферы в течение суток в среднем 343 Вт/м² энергии. Далее атмосфера и облака (в лучших традициях посредников) «отщипывают» свою долю за транзит. Но бережно ли сохраняется то, что все‑таки дошло до «адресата» – поверхности Земли? Конечно, нет. Часть энергии, совершившей неблизкое путешествие от Солнца до Земли (149,6 миллионов километров), сразу же получает от ворот поворот в соответствии с законами физики: чем светлее поверхность, тем лучше она отражает падающий на нее свет. Для того чтобы численно охарактеризовать это явление используют соотношение отраженной и пришедшей солнечной радиации, называемое альбедо (от латинского albedo – «белизна»). Очевидно, что оно всегда меньше 100 %.

Альбедо характеризует отражательную способность поверхности любых объектов, с которыми взаимодействует излучение: суши и океана, облаков из капель и ледяных кристаллов, аэрозолей, часто состоящих из твердого ядра во влажной оболочке и пр. Для разных видов излучения альбедо неодинаково: одна и та же поверхность может, например, отражать коротковолновое излучение, но поглощать и излучать длинноволновое.

Зависит альбедо от разновидности грунта, типа и плотности растительности, вида покрытия улиц и мостовых в городах и пр.

Таблица с перечислением величин альбедо для различных типов поверхности занимает в специальных справочниках несколько страниц убористым шрифтом. Не желая обременять читателя излишними подробностями, приведем лишь ее фрагменты, позволяющие судить о пределах изменения альбедо земной поверхности.

Альбедо водной поверхности для прямой радиации зависит от того, под каким углом на нее падают солнечные лучи. Вертикальные лучи проникают в воду глубоко, и она усваивает их тепло. Наклонные лучи отражаются от воды, как от зеркала, и ее не нагревают. Поэтому альбедо водной поверхности при высоте Солнца 90° равно 2 %, при высоте Солнца 20°–78 %.

Таблица 3. Альбедо (А) некоторых естественных поверхностей

Для того чтобы проиллюстрировать значимость альбедо снежного и ледяного покрова, упомянем о двух гипотетических ситуациях, рассмотренных выдающимся российским климатологом М. И. Будыко (1920–2001). В первой из них он предположил, что вся Земля покрыта льдом и снегом и при этом отсутствует облачность. В такой ситуации, по его расчетам, температура поверхности снизилась бы на 100 °C! При реализации второй гипотетической ситуации полного отсутствия снежно‑ледяного покрова в Арктике арктическая температура должна увеличиться на 40 °C!

Интересуясь количеством энергии, полученным, к примеру, пустыней с относительно однородной поверхностью, мы можем воспользоваться таблицей. Однако если необходимо оценить, сколько энергии поглощено поверхностью, например, Краснодарского края, придется прежде разбить его площадь на сектора, в каждом из которых преобладает свой тип поверхности, а затем просуммировать приток энергии по всем секторам. Несомненно, итог таких вычислений критически зависим от смены времен года, поскольку альбедо одного и того же участка Земли заметно меняется в период листопада, с появлением и сходом снежного покрова и т. д., да и приток солнечной энергии в разные сезоны неодинаков.

Между тем глобальное альбедо, а значит, и общее количество солнечной энергии, поглощаемой поверхностью земного шара, подвержены куда меньшим изменениям.

Причиной тому несколько обстоятельств. Во‑первых, семь десятых поверхности Земли покрыто водой, а площадь периодически замерзающих акваторий невелика. Во‑вторых, зоны, в которых «лето круглый год», или, напротив, «вечная зима», занимают изрядную часть суши. Ярко выраженная смена времен года имеет место только в умеренных широтах обоих полушарий (при этом вклад в изменение радиационного баланса, главным образом, вносит Северное, так как площадь суши в средних широтах Южного полушария много меньше).

Как следствие, принято считать среднегодовое глобальное альбедо земной поверхности равным 29 %.

Казалось бы, такой определенности можно только порадоваться, но, увы, на каждого Мальчиша‑Кибальчиша находится свой Мальчиш‑Плохиш. В нашем случае эту роль исполняет облачность. Облака, встречая солнечную энергию на «подходе» к Земле, поглощают ее, отражают обратно вверх и рассеивают во всех направлениях. Оценить их альбедо очень непросто из‑за обилия существующих нюансов: имеют значение плотность и химический состав облаков, их толщина и однородность, высота над уровнем Земли и влагосодержание. Добавляет трудностей и то, что облака находятся в постоянном движении как в прямом, так и в переносном (вследствие микромасштабных процессов, непрерывно меняются их структура, влагозапас и состав) смыслах. Далеко не все из перечисленного можно определить непосредственно с Земли. И снова в этой связи отметим неоценимую помощь метеоспутников, но даже они не в состоянии обеспечить сколь‑нибудь полного решения этой проблемы.

Проводя аналогию со спортом, можно сравнить солнечную радиацию с бросками по хоккейным воротам, поверхность Земли – с вратарем, а облака – с защитниками. Часть бросков отражает защита, часть – вратарь. Но большинство бросков реализуются: «вратарь» парирует лишь 2–4 броска из десяти. Лишь снег – «вратарь» почти «непробиваемый», «отбивающий 8–9 шайб» из каждого десятка.

Облака, особенно состоящие из жидких капель, очень интенсивно поглощают длинноволновое излучение с поверхности суши и океана и переизлучают его вверх и вниз. Поэтому облачные ночи всегда заметно теплее ясных: в первом случае «облачное одеяло» возвращает тепло к земле, а во втором тепло беспрепятственно уходит в космос.

При обсуждении альбедо поверхности не обойтись без упоминания еще об одном важном аспекте – антропогенном. Ни Солнце, ни траектории небесных тел, ни океанские глубины не подвластны человеку. Иное дело просторы поверхности родной планеты. Вырубка лесов, распашка земель, создание водохранилищ, возделывание рисовых плантаций (чеков) и т. п. – тут есть где разгуляться.

Всякий раз подобное вмешательство сопровождается изменением альбедо. Могли ли эти изменения стать «спусковым крючком» процесса глобального потепления ХХ века? Оценки показывают: нет, не могли. Любой эпизод, связанный с культивацией земель, имеет очень ограниченный пространственный масштаб. Он, конечно, сказывается на альбедо, а с ним и на микроклимате данной местности (и, возможно, соседних регионов), но не более того.

Значительно сложнее оценить отклик на каждый такой эпизод круговорота воды. С изменением альбедо (особенно при строительстве водохранилищ) меняется локальный режим испарения, что неизбежно сказывается на образовании облаков. Появившиеся в последние годы исследования, базирующиеся на анализе спутниковых данных, показывают, что в среднем по земному шару и количество облаков, и их радиационные свойства меняются мало.

Следовательно, можно заключить, что изменения альбедо способны несколько перестроить привычное распределение притока солнечной радиации в различных географических зонах, но не отразятся на общем количестве солнечной энергии, поглощаемой системой «Земля – атмосфера».

Что же получается? Ввиду неизменности альбедо, приход энергии от Солнца к Земле остался стабильным. Но ведь на радиационный баланс системы «Земля – атмосфера» оказывают также влияние твердые и жидкие частицы, постоянно присутствующие в атмосферном воздухе…