Катастрофы в природе и обществе

Хлебопрос Р. Г.

Если эта часть излучения возрастает на W, вследствие промышленного выброса "парниковых газов", то это добавочное излучение возвращается на Землю. Тогда полное излучение, падающее на Землю, увеличивается на W, а следовательно, по закону сохранения энергии, на столько же возрастает излучение Земли. Но тогда возрастает и температура земной поверхности, и ее приращение T можно вычислить по закону Стефана – Больцмана, как мы видели выше. Таким образом, если известно, как изменился состав атмосферы, то строгие методы физики позволяют вычислить вызванное этим изменение температуры.

"Парниковый эффект" – вовсе не новое явление, связанное с технической деятельностью человека; это явление существовало всегда. Можно подсчитать, что если бы вообще не было парниковых газов, то средняя температура Земли была бы

не +20° C, как сейчас, а –18° C и скорее всего, при такой температуре не могла бы возникнуть жизнь. Таким образом, сам по себе "парниковый эффект" благотворен; опасно его быстрое нарастание, наблюдаемое с 1750го года – с начала "технической революции".

Важнейшим из "парниковых газов" является углекислый газ CO₂, который один ответственен за 60% "парникового эффекта". Содержание CO₂ в атмосфере тщательно изучено исследованием воздуха, извлеченного из глубинных слоев антарктического льда. Оказалось, что с конца последнего ледникового периода (около 10000 лет назад) до 1750-го года это содержание было почти неизменно, а после этого возрастало по отчетливому экспоненциальному закону, как это видно из рисунка 7. В начале технической революции концентрация CO₂ составляла, по объему, 280 миллионных атмосферного воздуха, а теперь – 360 миллионных, то есть выросла на 30%. Тот же закон подтверждается современными измерениями, выполненными на десятках независимых обсерваторий. Например, на рисунке 8 изображен рост концентрации CO₂ в течение последних десятилетий, по данным обсерватории Мауна-Лоа на Гавайских островах. Поскольку на этих островах нет никакой промышленности, эти данные должны быть близки к средним величинам, образующимся путем перемешивания во всей атмосфере Земли

Рис.7

Изменение концентрации CO₂ в атмосфере начиная примерно с 1750 года по данным анализа глубинного льда ледника Siple в западной Антарктиде.

Рис.8

Рост атмосферного CO₂ с 1959 по 1999 годы, по измерениям на различных станциях: 1=Лоу Доум, Антарктика; 2=Мауна Лоа, Гавайи; 3=Барроу, Аляска; данные станции Лоу Доум представляют концентрации CO₂ в воздушных пузырьках ледяной коры; данные двух других станций представляют среднегодовые концентрации CO₂ в воздухе близ поверхности Земли, согласно инструментальным измерениям (по Etheridge et al., 1998; Keeling and Worf, 2004). Рисунок заимствован у С.М. Семенова, 2004.

(пилообразные колебания, видные на этом рисунке, соответствуют сезонным циклам растительности в северном полушарии; такие колебания незаметны в кумулятивных данных рисунка 7). Отчетливый экспоненциальный рост содержания CO₂, вытекающий из рисунка 8, полностью подтверждается данными всех других обсерваторий, собранными в отчете Всемирного центра данных о парниковых газах [5]. Результат всех этих измерений никем не оспаривается: содержание CO₂ ежегодно увеличивается на 0,4%, то есть в 1,004 раза. При этой геометрической прогрессии оно достигнет в 2100-ом году 500 миллионных объема воздуха, то есть станет вдвое больше доиндустриального уровня.

Можно сопоставить этот рост с другой экспонентой – ростом потребления углеродных топлив, которое до последнего времени удваивалось каждые десять лет. Промышленность ежегодно выпускает в атмосферу около 7 миллиардов тонн углерода, в составе углекислого газа. Около половины этого количества поглощается океанской водой, фотосинтезом растений (использующих солнечный свет для выработки углеводородов из воды и углекислого газа) и разными другими процессами, например, образованием торфа. Эта доля не возрастает, и нет оснований надеяться, что она будет возрастать, так что прямое продолжение нынешней тенденции, изображенной на рисунке 8, будет означать экспоненциальный рост.

Экспоненциальное возрастание очень редко встречается в природе: оно означает "положительную обратную связь", когда возрастание некоторого фактора ведет лишь к дальнейшему его возрастанию, причем тормозящие факторы не действуют. Так бывает при различных катастрофах, вроде лесных пожаров или лавин. Напротив, в человеческой деятельности положительная обратная связь встречается сплошь и рядом. Нет сомнения в том, что оба экспоненциальных процесса – рост потребления углеродных топлив и рост содержания углекислого газа – связаны между собой, и что первый из них обусловливает второй. Механизм этой связи объяснен выше.

Другим "парниковым газом" является метан, производимый, кроме естественных источников, угольными шахтами и газовыми скважинами. Количество метана в атмосфере с начала промышленной революции удвоилось, и теперь ежегодно возрастает на 1%. Молекула метана задерживает в 60 раз больше излучения Земли, чем молекула CO₂. Еще более эффективны в этом отношении молекулы окиси азота N₂O – в 270 раз больше молекул CO₂. Концентрация окиси азота в атмосфере возросла уже на 8%: она производится, в частности, при использовании удобрений и в различных промышленных процессах.

Особый класс атмосферных газов составляют галокарбонаты – хлорфторуглеродные соединения, не встречающиеся в природе и применяемые как фреоны в холодильниках и как составная часть пенопластов. Молекула этих соединений захватывает в тысячи раз больше инфракрасных лучей, чем молекула CO₂. Об этих соединениях мы еще скажем отдельно.

Повышение температуры и изменение климата. По поводу повышения температуры, предсказываемого любыми методами, следует сделать предварительное замечание. Как известно, средняя температура земной поверхности, вычисленная по данным измерений в некотором году, меняется от года к году по случайным причинам, хотя эти изменения и невелики. Ясно, что совпадение предсказаний с наблюдениями не может быть точнее этих колебаний. Для такого сравнения следует брать усредненные температуры за время, сглаживающее эти случайные изменения. Таким способом получается равновесная температура, которая и имеется в виду в законе Стефана – Больцмана, тогда как случайные изменения от года к году отражают лишь неравновесные переходные процессы. Например, вряд ли возможно точно предсказать, какая температура будет в 2050 году, но можно предсказать среднее значение годовых температур между 2040 и 2060 годом.

Далее, надо упомянуть осложнение, связанное с водяным паром. Дело в том, что повышение температуры вследствие "парникового" действия таких газов, как CO₂, вызывает усиленное испарение воды, а молекулы водяного пара производят добавочный парниковый эффект. Процессы испарения и образования облаков предсказать трудно, и связанное с ними повышение температуры можно предвидеть лишь с некоторой неточностью. Поэтому в предсказаниях повышения температуры гарантируется нижняя оценка: действительность может быть только хуже нее. Прежде всего, что уже известно о повышении температуры Земли?

Надежные данные о средней температуре земной поверхности имеются с 1860-го года. С тех пор повышение температуры было не меньше 0,3°C и не больше 0,6°C. Может показаться, что это немного. Но за 10000 лет после последнего ледникового периода температура Земли повысилась всего на 5?C; таким образом, прежняя, естественная скорость изменения температуры возросла в десять раз. Разные части Земли нагреваются неодинаково; "парниковый эффект" больше сказывается на суше, чем на море, и больше в северном полушарии, где расположена большая часть суши. Например, ежегодное число вечеров без заморозков в северо-восточной части Соединенных Штатов за последние сорок лет возросло на одиннадцать. По данным одного исследования, вегетационный период растений за последние сто лет удлинился на неделю [6]. В южной Сибири, где еще в 60-ых годах сорокаградусные морозы продолжались неделями, теперь даже тридцатиградусные морозы стали редки. Десять самых теплых лет за последние сто лет были с 1980-го года, а по некоторым наблюдениям 1990-ые годы будут еще теплее. Общее потепление Земли в течение последних ста лет не вызывает у климатологов никаких сомнений.