Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Конечно, точные значения зависят от температуры: чем она выше, тем быстрее колеблются молекулы H₂ ¹⁸O и тем легче им освободиться и взлететь. При ее повышении на каждые 1,5 °C содержание ¹⁸O увеличивается примерно на 1 миллионную долю, или на 0,05 % от обычного значения. Такое изменение легко измерить, поэтому мы можем восстановить среднюю температуру с точностью до доли градуса по всей длине керна, даже если он возник 800 000 лет тому назад, как керн с «Купола С», добытый в ходе Европейского проекта по отбору ледяного керна в Антарктиде (EPICA)¹⁹. Это соотношение в недавно образовавшемся льду на 3,4 % ниже стандартного, в то время как на пике последнего ледникового периода, который пришелся на время от 25 000 до 30 000 лет назад, оно было на 4,6 % ниже нормы²⁰. Это соответствует глобальному изменению

температуры примерно на 10 °C. Величины для Гренландии и Антарктиды, хотя и получены в разных частях океана, прекрасно соответствуют друг другу; наибольшее расхождение составляет 0,05 %, а более типичное – менее 0,015 % (или 0,4 °C).

Еще один невероятно важный показатель, измеренный в ледяных кернах, – это состав атмосферы в захваченных воздушных пузырьках. Один пузырек диаметром 1 мм содержит около 10 000 триллионов молекул воздуха, поэтому даже следовые компоненты (например N₂O, содержание которого составляет 0,3 миллионной доли) будут представлены миллиардами молекул. Благодаря этому мы можем с высокой точностью измерить состав. Результаты поразительны. Например, уровень метана, сильнодействующего парникового газа, увеличивался и уменьшался каждые 100 000 лет синхронно с тем, как менялась форма орбиты Земли, и его доля варьировалась от 400 до 600 миллиардных долей. Но примерно в 1820 году его количество начало резко возрастать, и сегодня его концентрация составляет 1920 миллиардных долей – иными словами, она возросла на 380 %²¹. Картина с N₂O аналогична, хотя и с более скромным увеличением на 30 %.

Интереснее всего обстоит дело с CO₂. За последние 450 000 лет его минимальная концентрация на пике ледникового периода составляла 180 миллионных долей (и оставалась неизменной в течение последних четырех 100 000-летних циклов с точностью до 2 %). После достижения этого минимума наблюдается быстрый (по геологическим меркам) рост до 280 миллионных долей. Затем, в течение нескольких тысяч лет, он начинает снижаться к следующему минимуму, с рядом отклонений и колебаний. Однако примечателен тот факт, что, если мы поместим температуру, о которой могли судить по хронике изменений ¹⁸O, и концентрацию CO₂ на одном и том же графике, они почти идеально совпадут (см. рис. 11.3)²². В этих флуктуациях видна характерная «подпись» всех трех орбитальных циклов – прецессии через каждые 23 000 лет, изменения наклона оси по прошествии 41 000 лет и преобладающего изменения формы орбиты через каждые 100 000 лет.

Рис. 11.3. История климата Земли за последние 450 000 лет, поведанная антарктическими льдами. Левая ось и черная линия показывают изменение концентрации CO₂ в атмосфере. Концентрация CO² циклически меняется от 180 ppm до 280 ppm с периодом примерно 100 000 лет (толстые черные штрихи). Правая ось и серая линия показывают среднюю температуру, полученную на основе анализа соотношения ¹⁸O/¹⁶O. Степень, в которой совпадают значения температуры и концентрации CO₂, поразительна. На рисунке также указаны периоды, соответствующие двум другим циклам Миланковича (изменение наклона оси – 41 000 лет и прецессия – 23 000 лет), оба из которых также учтены в представленных данных. Обратите внимание, что последние 10 000 лет, в течение которых развивалась современная цивилизация, – это наиболее стабильный период за последние полмиллиона лет. Нынешняя концентрация CO₂ намного выше, чем была на протяжении миллионов лет

Единственное исключение из этой тесной корреляции, которое мы можем наблюдать, относится к нынешней эпохе. Концентрация CO₂ сегодня составляет 420 миллионных долей, что на 50 % превышает уровень, характерный для доиндустриальных межледниковых периодов, однако температура всего на 1 градус Цельсия выше. Мы уже знаем, откуда взялись все эти дополнительные молекулы, – но почему мы не видим повышения температуры на 10 °C, как предсказывает график на рисунке 11.3? В прошлом температура и содержание CO₂ так тесно коррелировали, что это убедительно свидетельствует о причинно-следственной связи. Почему у нас все еще не наступила невыносимая жара? Ответ кроется в том, что мировой океан способен поглощать огромную энергию.

Интенсивность, с которой Земля получает энергию от Солнца, – мы имеем в виду ее усредненное значение, не зависящее от времени суток, широты и сезона, –

составляет 342 Вт/м² (это чуть меньше, чем шесть 60-ваттных лампочек, расположенных над каждым квадратным метром Земли). Как мы уже говорили, 31 % этой энергии отражается обратно в космос, оставляя 236 Вт/м² для нагрева планеты. Все парниковые газы, которые мы добавили в атмосферу за последние 250 лет, в конечном итоге увеличили это значение чуть более чем на 3 Вт/м²; иными словами, покровный эффект излишка CO₂, CH₄ и других газов эквивалентен увеличению энергии Солнца на 1,25 %. Может показаться, что 3 Вт/м² – это не столь значительная величина, но если учесть всю поверхность Земли и суммировать итог за год, общая чистая энергия увеличится на 50 миллиардов триллионов джоулей (5 x 10²² Дж). Поскольку для повышения температуры атмосферы на 1 градус требуется всего лишь 0,004 % этой энергии, почему вокруг так до сих пор и не стало теплее?

Теплоемкость воды в четыре раза больше, чем у воздуха. Если выразиться иначе, то для того, чтобы поднять температуру литра воды на 1 градус, требуется в четыре раза больше энергии, чем для такого же повышения температуры литра воздуха. А океаны содержат намного больше молекул, чем атмосфера, – примерно в 1 миллион раз больше, поэтому земная вода способна поглощать в 4 миллиона раз больше энергии. Конечно, она не может сделать этого мгновенно, потому что только верхние слои океана подвергаются непосредственному воздействию дополнительного тепла, производимого молекулярными покровами. Но, по оценкам, более 93 % дополнительного тепла, которое Земля получила за последние пятьдесят лет, было поглощено океаном²³. Более того, температура поверхности моря отражает это, поднявшись в среднем на 1,5 °C с 1900 года²⁴. Вода способна вбирать огромную энергию, и это объясняет, почему температура воздуха выросла всего на «скромный» 1 °C.

Однако потепление океана не обходится без последствий. Во-первых, поскольку все эти молекулы воды движутся быстрее, они занимают больше места. За последнее столетие уровень моря на наших глазах поднялся на 25 сантиметров, и половина этого повышения вызвана тепловым расширением нагревающейся воды. Потепление воды ускоряет и таяние океанского льда, уменьшая отражательную способность планеты и вызывая дальнейшее повышение температуры.

Этот тип взаимодействия, при котором результат влияет на первоначальную причину, называется петлей обратной связи. В нашем случае петля положительна: нагревающаяся вода растапливает больше льда, уменьшая отражательную способность и увеличивая поглощенное тепло, что приводит к большему нагреву воды и большему таянию льда; так следствие усиливает причину. Несмотря на все смысловые оттенки слова «положительный», такая обратная связь обычно плоха; это приводит к ситуации побега (как в «Ученике чародея»). Иногда следствие ослабляет причину, создавая петлю отрицательной обратной связи: потепление океанов ведет к большему испарению воды, из-за чего образуется больше облаков, а они отражают больше солнечного света, поэтому поглощается меньше энергии и океаны становятся холоднее. Петли отрицательной обратной связи стабильны: если подтолкнуть систему в одном направлении, то возникнет сопротивление, и результат будет обратным. Одна из принципиальных трудностей моделирования климата Земли кроется именно в том, что многие части системы связаны десятками петель отрицательной и положительной обратной связи.

Повышение температуры океана оказывает немало других влияний. Например, большая часть морской жизни очень чувствительна к температуре, и потепление океанов влечет самые разные последствия: от обесцвечивания (то есть гибели) коралловых рифов до вынужденной миграции омаров Новой Англии в воды Канады; с 1996 по 2014 год вылов омаров в штате Нью-Йорк и на юге Новой Англии сократился на 97,7 %²⁵. Колебания температуры океана приводят к перезагрузке экологического равновесия, затрагивая все живое – от планктона, основы пищевой цепи, до синих китов, крупнейших существ, когда-либо живших на Земле, – а кроме того, влияют на модели миграции и, как мы увидим в главе 13, радикально изменяют глобальный характер циркуляции воды и воздуха, в значительной степени меняя сам климат как таковой.

Погода и климат

Если говорить о влиянии людей на нашу атмосферу, то важно различать погоду и климат. Погода подразумевает изменения местных атмосферных условий в масштабах от минут до лет. В нее входят такие явления, как бури, теплые фронты, засухи и похолодания. Если вы задумываетесь о том, не захватить ли вам сегодня на прогулку зонтик или не стоит ли купить более теплую парку на предстоящую зиму, то вы принимаете решения, основываясь на погоде.