Радиационный форсинг углекислого газа и метана в тропосфере региона Нижнего Поволжья

Согласно международным отчетам по изменениям климата IPCC концентрация СО₂ и CH₄ в атмосфере за последние 50 лет выросла примерно на четверть. Рост концентрации парниковых газов, таких как СО₂, СН_4, и др., вызывает увеличение температуры атмосферы и подстилающей поверхности и, как следствие, более сильное испарение влаги, вызывая положительный форсинг, а процессы формирования облаков и аэрозолей приводят к изменению альбедо Земли (отрицательный форсинг). Суммарное радиационное воздействие от всех выше перечисленных факторов оценивается в отчете IPCC в диапазоне 0,6-2,4 Вт/м². Согласно данным работы [1] форсинг СН₄ за индустриальный период (с 1750  до 2011 г.) занижен примерно на 25% в результатах, полученных в IPCC[2]. Одним из факторов, приводящих к этой неопределенности, является неточный учет перекрывания полос СН₄ с колебательно-вращательными полосами паров воды, с континуумом Н₂О и взаимодействия с  облаками. Водяной пар — консервативная примесь, его концентрация зависит от температуры воздуха и типа подстилающей поверхности, поэтому возрастание концентрации паров воды в атмосфере обусловлено положительными обратными связями. Это в свою очередь разгоняет парниковый эффект. Поэтому, исследование связей мгновенного радиационного форсинга СО₂ и СН₄ с общим влагосодержанием в атмосфере позволит уточнить роль СО₂ и СН₄ в парниковом эффекте.

 
Были рассчитаны длинноволновые потоки излучения: восходящие на верхней границе и нисходящие на нижней границе безоблачной атмосферы для типичных метеорологических условий региона Нижнего Поволжья. Использовались данные ECMWF ERA-5 – European Reanalysis для летних условий 2021 г. Этот год был выбран вследствие того, что среднее содержание паров воды в вертикальном столбе атмосферы летом (WH₂O =2,74 г/см²) было выше среднего за другие годы. Для моделирования использовалась выборка, состоящая из 368 вертикальных профилей (4 реализации за сутки на протяжении трех летних месяцев).  Радиационный форсинг CO₂ и CH₄ вычислялся как разность потоков излучения при значениях концентрации этих газов, соответствующих 1973 г. и настоящему времени.
Результаты моделирования показали, что с ростом влажности вклад СО₂ в радиационное воздействие на поверхность Земли уменьшается, что приводит к меньшему нагреву поверхности, однако нагрев атмосферы увеличивается. Усиление парникового эффекта за счет увеличения концентрации CO2 в условиях высокой влажности приводит к еще большему нагреву атмосферы. Выяснилось, что при высокой влажности окно прозрачности атмосферы закрывается, т.е. доминирующую роль в этих процессах играет континуум водяного пара, а не селективное поглощение в полосах Н₂О.

Выявлено, что в отличие от СО₂ связь между радиационным форсингом СН₄ и общим влагосодержанием в тропосфере незначительна, и с ростом концентрации паров воды нагрев атмосферы за счет увеличения концентрации CH₄  за последние 50 лет  не возрастает. При этом радиационный форсинг СН4 в тропосфере находился в диапазоне 0,1-0,2 Вт/м², тогда как форсинг СО₂  был 0,8-1,4  Вт/м²[3].

Работа выполнена в рамках государственного задания ИОА СО РАН

1. M. Etminan, G. Myhre, E.J. Highwood, and K.P. Shine.// Geophys. Res. Lett. 2016. V.43. N.24. P.12,614–12,623

 
2. The IPCC working group 1 (2013) assessment report “Climate Change 2013, The Physical Science Basis  https://ipcc.ch/report/ar5/wg1/

3. K.M. Firsov, T.Yu. Chesnokova,  and A.A. Razmolov // Atmospheric and Oceanic Optics. 2024. V.37, N.6. P.689–697