Альбедо Земли

Альбедо Земли — это величина, характеризующая отражательную способность поверхности и атмосферы Земли. Выражается как отношение потока солнечного излучения, отражённого от планеты обратно в космическое пространство, к общему потоку излучения, поступившему от Солнца. Альбедо является ключевым параметром климатической системы, определяющим радиационный баланс планеты и, как следствие, её среднюю температуру. Среднее планетарное альбедо Земли (также называемое сферическое или бондовское альбедо) составляет около 0,30 (30 %), то есть примерно треть падающей солнечной энергии отражается обратно в космос, а две трети поглощаются земной поверхностью и атмосферой.

Физическая природа и виды альбедо

Альбедо не является постоянной величиной и зависит от длины волны излучения, угла падения солнечных лучей, а также от физических свойств отражающей поверхности. В климатологии и дистанционном зондировании различают несколько типов альбедо.

Интегральное (бондовское) альбедо

Интегральное альбедо учитывает отражение во всем спектре солнечного излучения (от ультрафиолетового до инфракрасного). Для Земли его значение, измеренное со спутников, составляет 0,30 ± 0,02. Это средневзвешенная величина, складывающаяся из отражения от облаков, аэрозолей, газов атмосферы, океанов, ледников, пустынь и растительного покрова.

Спектральное альбедо

Спектральное альбедо характеризует отражение на отдельных длинах волн. Например, в видимом диапазоне (0,4–0,7 мкм) альбедо зелёной растительности невелико (около 0,05–0,15), тогда как в ближнем инфракрасном диапазоне (0,7–1,1 мкм) оно может достигать 0,4–0,5 из-за сильного рассеяния излучения клеточной структурой листьев. Снег и лёд имеют высокое альбедо как в видимом, так и в ближнем инфракрасном диапазонах, а вода — низкое.

Альбедо поверхности и атмосферы

Различают альбедо подстилающей поверхности (земля, вода, лёд) и альбедо атмосферы (облака, аэрозоли). Облачный покров вносит наибольший вклад в планетарное альбедо: среднее альбедо облаков составляет от 0,4 до 0,8, в зависимости от их толщины и фазового состава (капельные или ледяные). Альбедо чистой атмосферы без облаков невелико (около 0,1) и обусловлено молекулярным рассеянием (рэлеевское рассеяние) и аэрозолями.

Факторы, определяющие альбедо Земли

Альбедо Земли не является статичным и изменяется под действием природных и антропогенных процессов.

Облачный покров

Облака — главный регулятор альбедо. Они отражают значительную часть коротковолновой солнечной радиации обратно в космос. Изменение площади, высоты и оптической толщины облачности может существенно менять планетарное альбедо. Например, увеличение доли низких кучевых облаков повышает альбедо, а уменьшение облачного покрова — снижает.

Снежный и ледяной покров

Снег и лёд обладают самым высоким альбедо среди природных поверхностей: свежевыпавший снег отражает до 80–90 % солнечного излучения, старый снег — 40–60 %, морской лёд — 30–50 %. Площадь снежно-ледового покрова в Арктике и Антарктике сезонно меняется, что приводит к значительным колебаниям альбедо в высоких широтах. Это явление лежит в основе так называемого альбедного эффекта (положительной обратной связи): таяние льда обнажает тёмную поверхность океана или суши, которая поглощает больше тепла, что ускоряет дальнейшее таяние.

Растительный покров и почвы

Альбедо различных типов растительности варьируется: леса (особенно хвойные) имеют низкое альбедо (0,08–0,15), травянистая растительность — среднее (0,18–0,25), пустыни и песчаные почвы — высокое (0,30–0,40). Вырубка лесов и замена их сельскохозяйственными полями или пастбищами может локально повышать альбедо, но в глобальном масштабе этот эффект сложен из-за сопутствующих изменений в углеродном цикле и испарении.

Аэрозоли

Аэрозольные частицы в атмосфере могут как увеличивать, так и уменьшать альбедо в зависимости от их состава. Сульфатные аэрозоли (образующиеся из выбросов диоксида серы) и морские соли рассеивают солнечное излучение, повышая альбедо (прямой аэрозольный эффект). Сажистые частицы (чёрный углерод), напротив, поглощают излучение, снижая альбедо и нагревая атмосферу. Кроме того, аэрозоли влияют на микрофизику облаков, изменяя их отражательные свойства (косвенный аэрозольный эффект).

Измерение и мониторинг

Измерение альбедо Земли ведётся с помощью спутниковых приборов. Наиболее полные данные предоставляют проекты NASA (CERES — Clouds and the Earth’s Radiant Energy System) и EUMETSAT. Спутники регистрируют потоки коротковолнового излучения, отражённого от Земли, и сравнивают их с известным потоком солнечного излучения на верхней границе атмосферы. Данные CERES, доступные с 2000 года, позволяют оценивать среднемесячные и среднегодовые значения альбедо с точностью до 1–2 %.

Наземные измерения альбедо проводятся на метеорологических станциях с помощью пиранометров и альбедометров, а также в ходе полевых экспедиций для калибровки спутниковых данных.

Изменение альбедо во времени

Согласно данным спутниковых наблюдений, среднее планетарное альбедо Земли испытывает межгодовые колебания в пределах 0,28–0,32. В период с 2000 по 2020 год наблюдалась тенденция к небольшому снижению альбедо (на 0,02–0,03), что связывают с уменьшением площади морского льда в Арктике, сокращением облачности в некоторых регионах и увеличением поглощения излучения из-за роста концентрации чёрного углерода. Однако точные тренды остаются предметом научных дискуссий, так как альбедо чувствительно к естественным климатическим колебаниям (например, явлениям Эль-Ниньо и Ла-Нинья).

Значение для климата

Альбедо является одним из ключевых факторов, определяющих радиационный баланс Земли — разницу между поглощённой солнечной энергией и тепловым излучением планеты. Изменение альбедо всего на 1 % приводит к изменению поглощённой энергии примерно на 3,4 Вт/м², что сопоставимо с радиационным воздействием от удвоения концентрации углекислого газа.

Альбедная обратная связь

Наиболее значимая обратная связь в климатической системе — альбедная обратная связь «лёд — альбедо». При потеплении климата таяние снега и льда уменьшает площадь поверхностей с высоким альбедо, что увеличивает поглощение солнечного тепла и усиливает потепление. Эта обратная связь особенно сильно проявляется в Арктике, где за последние десятилетия площадь морского льда в сентябре сократилась примерно на 40 % по сравнению с концом XX века.

Геоинженерные проекты

Изменение альбедо Земли рассматривается как один из возможных методов геоинженерии для смягчения глобального потепления. Предлагаются проекты по увеличению альбедо облаков (распыление морской соли для их осветления), распылению стратосферных аэрозолей (имитация эффекта вулканических извержений) или побелке городских поверхностей и сельскохозяйственных полей. Однако все эти подходы сопряжены с рисками непредсказуемых побочных эффектов и не имеют широкого научного консенсуса.

Исторические исследования

Первые количественные оценки альбедо Земли были сделаны в XIX веке. В 1884 году шведский физик Андерс Ангстрём предложил метод измерения альбедо с помощью пиргелиометра. В 1920-х годах американский метеоролог Уильям Хамфри оценил планетарное альбедо в 0,43, что было завышено. Современные точные измерения начались с запуском спутников серии «Тирос» (США) в 1960-х годах. Крупный вклад в понимание альбедных процессов внесли российские учёные: Михаил Будыко в 1960-х годах разработал первую модель климата, учитывающую альбедную обратную связь, а его работы по теории климата заложили основы современной климатологии.

Интересные факты

• Альбедо Земли примерно вдвое ниже, чем альбедо Венеры (около 0,75), но выше, чем альбедо Марса (около 0,25).
• Вулканические извержения могут временно повышать альбедо Земли за счёт выброса в стратосферу сульфатных аэрозолей. Извержение вулкана Пинатубо в 1991 году привело к снижению глобальной температуры на 0,5 °C в течение двух лет.
• Городские территории имеют более низкое альбедо (0,10–0,20) по сравнению с окружающей сельской местностью, что способствует образованию «островов тепла».
• В России измерения альбедо проводятся на сети актинометрических станций Росгидромета, а также в рамках полярных экспедиций в Арктике и Антарктике.

Источники

• Budyko, M. I. (1974). Climate and Life. Academic Press.
• Hartmann, D. L. (2016). Global Physical Climatology. 2nd ed. Elsevier.
• Stephens, G. L., et al. (2015). The albedo of Earth. Reviews of Geophysics, 53(1), 141–163.
• NASA CERES Project. Clouds and the Earth’s Radiant Energy System.
• IPCC (2021). Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.