Обратная связь облаков

Обратная связь облаков — это совокупность процессов в климатической системе, при которых изменения в облачном покрове усиливают или ослабляют первоначальное внешнее воздействие (например, потепление или похолодание). Являясь одним из ключевых механизмов климатической обратной связи, облачная обратная связь оказывает существенное влияние на чувствительность климата — величину, на которую повышается глобальная температура при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере. Из-за сложности физики облаков и их взаимодействия с радиационными потоками этот тип обратной связи остаётся одним из наименее определённых в современных климатических моделях.

Физические основы

Облака воздействуют на радиационный баланс Земли двумя противоположными способами. С одной стороны, они отражают коротковолновую солнечную радиацию обратно в космос, что приводит к охлаждению подстилающей поверхности (альбедный эффект). С другой стороны, облака поглощают длинноволновое тепловое излучение, исходящее от Земли, и переизлучают его обратно вниз, создавая парниковый эффект, который способствует потеплению. Результирующее влияние облака на радиационный баланс определяется разностью между этими двумя эффектами и зависит от высоты, оптической толщины, микрофизических свойств (размер и форма частиц) и фазового состояния (жидкая, ледяная или смешанная) облака.

Высокие тонкие перистые облака (циррусы) пропускают большую часть солнечного света, но эффективно задерживают тепловое излучение, поэтому их чистый эффект — потепление. Низкие плотные слоисто-кучевые облака, напротив, обладают высоким альбедо и слабо влияют на тепловой баланс, так как их температура близка к температуре поверхности; их чистый эффект — охлаждение. В глобальном масштабе современный облачный покров оказывает чистое охлаждающее воздействие на климат, компенсируя значительную часть парникового эффекта от антропогенных выбросов.

Механизмы обратной связи

Обратная связь облаков возникает, когда изменение климата (например, потепление) меняет свойства облаков, что, в свою очередь, влияет на радиационный баланс и либо усиливает (положительная обратная связь), либо ослабляет (отрицательная обратная связь) первоначальное изменение.

Положительная обратная связь высоких облаков

При потеплении атмосферы тропопауза поднимается, и конвекция может достигать более высоких и холодных уровней. Согласно гипотезе, выдвинутой метеорологом Ричардом Линдзеном, высота перистых облаков увеличивается, что делает их более холодными. Поскольку интенсивность теплового излучения, испускаемого облаком, пропорциональна четвёртой степени его температуры, более холодное облако излучает меньше энергии в космос. Это уменьшает потери тепла системой «Земля — атмосфера» и усиливает потепление. Данный механизм считается положительной обратной связью и подтверждается спутниковыми наблюдениями, хотя его количественная оценка остаётся предметом дискуссий.

Отрицательная обратная связь низких облаков

Низкие облака, особенно морские слоисто-кучевые, чувствительны к изменениям температуры поверхности океана и стратификации нижней тропосферы. При потеплении океана испарение усиливается, что может приводить к увеличению количества низких облаков. Однако одновременно усиливается турбулентное перемешивание, которое может разрушать инверсию, удерживающую влагу в пограничном слое. В результате в некоторых регионах облачность может уменьшаться. Если низкая облачность сокращается, альбедо системы падает, больше солнечного тепла достигает поверхности, и потепление усиливается — это положительная обратная связь. Если же облачность увеличивается, возникает отрицательная обратная связь. Наблюдения и моделирование показывают, что в большинстве тропических и субтропических регионов преобладает положительная обратная связь низких облаков, но с существенной региональной изменчивостью.

Обратная связь фазового состояния

В облаках смешанной фазы при температурах от 0 до −40 °C сосуществуют переохлаждённые капли и кристаллы льда. При потеплении доля жидкой фазы в таких облаках возрастает, так как температура становится выше, а для образования льда требуется более низкая температура. Жидкие капли мельче и многочисленнее ледяных кристаллов, поэтому облака с большим содержанием жидкой воды имеют более высокое альбедо и отражают больше солнечного света. Этот механизм создаёт отрицательную обратную связь: потепление ведёт к увеличению жидкой фазы, что усиливает охлаждение за счёт отражения. Однако в высоких широтах, где облака часто состоят изо льда, потепление может приводить к таянию ледяных кристаллов и уменьшению отражательной способности, что даёт положительную обратную связь.

Роль в климатических моделях

Облачная обратная связь является главным источником неопределённости в прогнозах будущего климата. В моделях общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) облака параметризуются, то есть их свойства рассчитываются по упрощённым формулам, основанным на крупномасштабных переменных. Различия в параметризациях приводят к разбросу оценок равновесной чувствительности климата (ECS) от 2 до 5 °C и более. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) в своих докладах последовательно указывает, что облачная обратная связь — один из основных факторов, определяющих этот разброс.

Современные модели, участвующие в проекте CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 6), показывают в среднем более сильную положительную обратную связь облаков, чем модели предыдущего поколения (CMIP5). Это связано с улучшенным описанием микрофизики и конвекции, но также привело к увеличению верхней границы оценок чувствительности климата. Некоторые исследователи полагают, что эти модели могут переоценивать положительную обратную связь, особенно в тропических регионах.

Наблюдательные оценки

Прямые измерения облачной обратной связи затруднены из-за нехватки долгосрочных глобальных данных о свойствах облаков. Спутниковые программы, такие как CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) и CloudSat, предоставляют информацию о радиационных потоках и вертикальной структуре облаков с начала 2000-х годов. Анализ этих данных позволяет оценить, как изменялась облачность в ответ на естественные колебания климата (например, на события Эль-Ниньо). Полученные оценки в целом согласуются с модельными прогнозами, указывая на преобладание положительной обратной связи, но с большим разбросом. Оценки, основанные на данных наблюдений, дают значение облачной обратной связи в диапазоне от 0,2 до 1,2 Вт/м² на градус Цельсия потепления.

Региональные особенности

Облачная обратная связь неоднородна по планете. В тропиках, где преобладает конвекция, наиболее важна обратная связь высоких перистых облаков. В субтропиках, над океанами, ключевую роль играют слоисто-кучевые облака. В средних широтах, где часто проходят циклоны, важны облака, связанные с атмосферными фронтами. В полярных регионах, особенно в Арктике, обратная связь облаков тесно связана с таянием морского льда. Уменьшение ледяного покрова снижает альбедо поверхности, что усиливает потепление и может приводить к увеличению облачности, которая, в свою очередь, зимой усиливает парниковый эффект, а летом — отражает солнечный свет. Этот сложный каскад обратных связей известен как арктическое усиление.

Источники

1. 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.
2. Hartmann, D. L. (2016). Global Physical Climatology. Academic Press.
3. Stephens, G. L. (2005). Cloud feedbacks in the climate system: A critical review. Journal of Climate.
4. Zelinka, M. D., et al. (2020). Causes of higher climate sensitivity in CMIP6 models. Geophysical Research Letters.
5. Klein, S. A., & Hartmann, D. L. (1993). The seasonal cycle of low stratiform clouds. Journal of Climate.