25.07.2008 | Наука

Градус тепла

Всем нам предстоит жить в теплеющем мире

Странное дело: с одной стороны, глобальное потепление, о котором мы все так долго читали и слышали, вроде бы можно уже ощутить непосредственно. В Европе чуть ли не каждое лето бьет температурные рекорды, средняя полоса России переживает две почти бесснежных зимы и ранних весны подряд, а на берегу Карского моря голодные и злые белые медведи с тоской глядят на воду: их охотничьи угодья – ледяные поля – куда-то подевались вместе со всей добычей. И в то же время в Греции или Испании в апреле может повалить снег, а московский июль, которому по календарю положено быть самым жарким месяцем года, вдруг оказывается холодным и дождливым. И всякий раз, когда такое случается, в обществе звучит раздраженный вопрос: ну и где же это ваше глобальное потепление?

От гипотезы – к протоколу 1896 Сванте Аррениус (Швеция) предположил, что выбросы СО2 от сжигания ископаемого топлива могут усилить парниковый эффект, что приведет к глобальному потеплению.
1924 Альфред Лотка (США), проанализировав потребление каменного угля, предположил, что через 500 лет промышленные выбросы приведут к удвоению концентрации СО2 в атмосфере.
1949 Ги Стюарт Кэллендар (Великобритания) предположил, что причина начавшегося в 1880-х годах потепления в Северной Европе и Северной Америке – рост концентрации атмосферного СО2 (по его расчетам – на 10% с 1850 по 1940 г.).
1957 Роджер Ревель и Ханс Сьюсс (США) показали, что большая часть выбрасываемой в воздух углекислоты не поглощается, как предполагалось, океанами, а остается в атмосфере и может привести к ее нагреванию. 1958 Чарлз Килинг (США) начал многолетние измерения концентрации атмосферного СО2 в обсерватории Мауна Лоа на Гавайях.
1967 Первая работающая компьютерная модель климата показала, что при удвоении содержания СО2 в атмосфере по сравнению с доиндустриальной эпохой средняя температура Земли может возрасти более чем на 2ºС.
1972 ¬Михаил Будыко (СССР) сформулировал и теоретически обосновал представление о глобальном потеплении климата.
1976 Доказаны парниковые свойства хлорфторуглеводородов, метана и закиси азота. 1983 Доклад Национальной академии наук США подтвердил, что удвоение концентрации СО2 может привести к нагреванию атмосферы на 4,4ºС.
1987 Анализ образцов многолетнего льда из Антарктиды, сделанный российскими и французскими учеными, показал жесткую корреляцию между концентрацией СО2 и температурой на протяжении более чем 100 000 лет.
1992 На саммите в Рио 155 государств подписали Рамочную конвенцию ООН по изменению климата (РКИК).
В следующем году РКИК вступила в силу. 1997 Более 160 стран – участниц РКИК подписали Киотский протокол, содержащий юридические обязательства стран по сокращению выбросов на 2008 – 2012 гг. Протокол вступил в силу в 2005 г. после ратификации его Россией.

 

Все выше, и выше, и выше...

О том, что год на год не приходится, люди знали всегда. Возникшая во второй половине XIX века научная метеорология с ее строгими инструментальными измерениями, выяснила, что не приходится и десятилетие на десятилетие. Скажем, 1920-е – 1930-е годы в Арктике были необычно теплыми – настолько, что неледокольное судно «Челюскин» чуть было не прошло весь Северный морской путь за одну навигацию. Но следующее десятилетие сразу же заявило о себе резким похолоданием, всю глубину которого пришлось испытать на себе солдатам вермахта на Восточном фронте зимой 1941 года.

Поэтому никто не удивился, когда примерно с конца 1940-х годов средние температуры опять поползли вверх: нисходящая фаза цикла сменилась восходящей, так было и так будет.

Были, правда, ученые, обращавшие внимание на то, что при всех колебаниях первая половина XX века была все же в среднем заметно теплее последних десятилетий XIX-го. Но даже если и так – что с того? Если есть колебания средних температур с периодом в десятилетия, почему не быть вековым, тысячелетним и т. д. – тем более, что сохранившиеся в летописях свидетельства о погоде былых времен неплохо это подтверждают?

Год на год по-прежнему не приходился, за теплыми годами следовали холодные, но тенденция к повышению средних температур сохранялась всю вторую половину ХХ века. В 1950-е годы его необычный характер наблюдаемого потепления видели лишь отдельные ученые. В 1970-е глобальное изменение климата стало одной из главных проблем климатологии – хотя в ней все еще шли серьезные споры о том, нельзя ли его объяснить естественными колебаниями. В 1980-е ученые спорили уже не о том, происходит ли с климатом что-то необычное, а о том, почему оно происходит.

Нужно было найти фактор, который заметно влиял бы на температуру приземных слоев воздуха (причем не в отдельных регионах, а по всей планете) и при этом заметно изменялся бы в течение десятилетий. И первым же «подозреваемым» стал знаменитый  парниковый эффект.

Как известно, основным источником тепла для земной атмосферы и мирового океана служит Солнце. Энергия поступает от него на Землю в виде электромагнитного излучения.

Часть его наша планета сразу же отражает обратно в космос, остальное поглощает, однако затем, как всякое нагретое тело, излучает часть поглощенного. Но спектр этого вторичного излучения сильно отличается от солнечного: наша звезда посылает нам лучи в основном в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, в то время как тепловое излучение Земли – преимущественно инфракрасное. При этом целый ряд составляющих земную атмосферу газов беспрепятственно пропускают видимый свет и ультрафиолет, а вот инфракрасное излучение поглощают. Таким образом часть излученного Землей тепла остается в атмосфере, увеличивая ее температуру. Этот механизм уменьшения теплоотдачи получил название парникового эффекта, а обеспечивающие его газы стали называть парниковыми.

Вообще говоря, наибольший абсолютный вклад в парниковый эффект вносит водяной пар. Но с его концентрацией в атмосфере в ХХ веке ничего не происходило, да и не могло произойти: «растворимость» воды в воздухе ограничена, и в атмосферу ее всегда поступает гораздо больше, чем может в ней удержаться. (Излишки же конденсируются в облака, увеличивающие альбедо, т. е. отражающую способность Земли и тем самым уменьшающие ее нагрев.) Поэтому количество тепла, возвращаемого Земле водой, практически постоянно и не может объяснить упорного роста приземных температур.

А вот парниковый газ №2 – углекислота – выглядел куда более перспективным кандидатом в виновники потепления.

Прямые измерения его содержания в атмосфере, начатые в 1958 году американским метеорологом Чарлзом Килингом, показали устойчивый рост. Если в конце XIX века, когда были проведены первые более-менее точные анализы химического состава атмосферы, в каждом миллионе ее молекул 285 были молекулами СО2, то первые же измерения Килинга показали, что их уже 335. В дальнейшем этот показатель продолжал расти почти на единицу в год и сегодня составляет уже 375 на миллион.

Факт и теория

Источники столь бурного роста можно было не искать: еще в 1890-е годы великий шведский химик Сванте Аррениус предсказывал, что сжигание минерального топлива (тогда это был в основном каменный уголь, но то же самое справедливо и для углеводородов) должно приводить к увеличению концентрации углекислоты в атмосфере и усилению парникового эффекта. Первые же модели этого процесса, сделанные в 1960-е годы, показали: да, именно так все и должно быть. А графики среднегодовых (еще лучше – средних за пять лет, на них меньше резких скачков) температур и концентрации атмосферного СО2 выглядели удивительно похоже. Впрочем, как выяснилось, росла концентрация и других парниковых газов, выбрасываемых или теряемых человечеством в ходе его хозяйственной деятельности: метана (содержание которого в атмосфере за время наблюдений подскочило аж в 2,5 раза), закиси азота, диоксида серы, ряда хлор- и фторпроизводных углеводородов и т. д.  Так сформировалась антропогенная теория глобального изменения климата, абсолютно господствующая сегодня в климатологии.

Здесь нужно сделать важную оговорку. Само по себе потепление мирового климата – достоверный факт, подтвержденный огромным массивом прямых наблюдений и измерений.

На протяжении ХХ века среднегодовая температура поверхности Земли выросла (опять-таки в среднем) на 0,6ºС, а всего с момента начала регулярных метеорологических наблюдений – на 0,75ºС. При этом львиная доля этого роста – 0,5ºС – приходится на последние полвека, а сегодня темп потепления составляет 0,2ºС за десятилетие. Это среднепланетарный сдвиг, но отдельные особо чувствительные регионы теплеют на 0,8ºС за десятилетие. (Что интересно, именно такие темпы предсказывались рядом компьютерных климатических моделей 1970-х – 80-х годов, но в те времена считались невероятными.) Профессиональных климатологов, оспаривающих сам факт глобального потепления, в мире просто нет.

А вот объяснение его преимущественно антропогенными выбросами парниковых газов – не более чем теория. Как и всякая научная теория, она не может быть однозначно доказана никогда. Даже для получения ее экспериментальных подтверждений нужно было бы как минимум иметь в распоряжении второй экземпляр Земли – не отличающийся от нашей планеты ничем, кроме того, что там не сжигали бы минеральное топливо (а лучше несколько сотен однотипных планет, чтобы можно было набрать статистику). В условиях же уникальности климатической системы антропогенная теория остается лишь гипотезой, с которой вполне могут конкурировать иные возможные предположения. Сегодня в мировой науке о климате работает немало серьезных ученых, не согласных с антропогенной теорией и объясняющих глобальное потепление долговременными стохастическими колебаниями, изменениями солнечной активности и рядом других факторов. Их, правда, гораздо меньше, чем тех, кто видит причину изменения климата в антропогенных выбросах, – но спор между научными теориями никогда не решается голосованием.

Метановая бомба Наиболее катастрофический сценарий глобального потепления связан с тем, что массовое таяние вечной мерзлоты и увеличение теплого времени года в районах с большими площадями болот вызовет резкое увеличение поступления в атмосферу метана. После чего процесс пойдет по нарастающей: метан – чрезвычайно активный парниковый газ (литр метана удерживает в атмосфере столько же тепла, сколько 21 литр углекислоты), рост его концентрации приведет к ускорению потепления, а оно – к высвобождению новых порций метана, и так – до полного развала «климатической машины». Однако предварительные модели, выполненные в Институте физики атмосферы РАН, не подтвердили самых худших опасений. Из них следует, что поток метана из болот в самом деле может за счет потепления увеличиться в целом для планеты на треть, а для территорий севернее 50-й параллели – вдвое. Однако обратное влияние этого увеличения на изменение климата будет непринципиальным. Тем временем прямые измерения показали, что содержание метана в атмосфере, выросшее за сто лет в 2,5 раза (никакой другой естественный компонент атмосферы не менял своей концентрации такими темпами), в последние пять лет практически стабилизировалось.

Тем не менее в последние годы появились новые факты, которые нелегко объяснить с каких-либо иных позиций, кроме антропогенной теории.

Если бы причиной потепления было, скажем,  изменение солнечной активности, следовало бы ожидать роста температуры во всех слоях атмосферы. Однако наблюдения показывают, что теплеет исключительно тропосфера (приземный слой), в то время как стратосфера становится даже холоднее – как оно и должно быть, если дело не в усилении притока энергии извне, а в уменьшении ее обратного оттока. С другой стороны, анализ многолетних льдов и содержащихся в них пузырьков воздуха показал, что температура атмосферы и содержание в ней СО2 во все времена менялись согласованно. Но если во время былых потеплений изменения концентрации углекислоты чуть-чуть отставали от температурных сдвигов (как оно и должно быть согласно альтернативным теориям, видящим в росте содержания СО2 не причину, а следствие потепления), то сейчас они чуть-чуть опережают их. Наконец, на антропогенную теорию работает и беспрецедентная скорость потепления: наша планета в прошлом неоднократно теплела и холодала на величину куда большую, чем три четверти градуса, – но никогда такие сдвиги не происходили за столь ничтожное время.

«От жажды умираю над ручьем...»

Антропогенная теория легла в основу Рамочной конвенции ООН по изменению климата и Киотского протокола к ней – документов, отражающих озабоченность мирового сообщества проблемой изменения климата: в них участвуют практически все страны мира, а бюджет предусмотренных ими мер измеряется десятками миллиардов долларов. В конце 2007 года на Бали начались переговоры по подготовке всемирного соглашения на 2013 – 2020 гг., по сравнению с которым Киотский протокол будет выглядеть небольшим пилотным проектом. Но и самые горячие энтузиасты «киотского процесса» признают: даже если бы прямо завтра человечество вообще прекратило сжигать минеральное топливо (и если антропогенная теория верна), глобальное потепление продолжалось бы с постепенным замедлением еще несколько десятилетий. Что до более реальных сценариев, то самые оптимистичные из них предполагают, что в 2100 году среднепланетарная температура будет на 2ºС выше, чем в 1900-м.

Значит, независимо от успеха мер по сокращению выбросов всем нам предстоит жить в теплеющем мире. И хорошо бы знать, что нас там ждет.

Как уже говорилось, глобальное потепление – процесс крайне неравномерный. В некоторых регионах мира не теплеет вовсе, в иных (внутренние районы Гренландии, бассейн Конго, середина тихоокеанского побережья Южной Америки, некоторые места на Кавказе) даже чуть-чуть холодает. Зато ударными темпами прогреваются Арктика, Сибирь, Аляска, северные территории Канады, а в южном полушарии – Антарктический полуостров. Для России это означает широкомасштабное таяние вечной мерзлоты – что создаст очень большие проблемы расположенным на ней строениям и коммуникациям. Правда, население этих территорий далеко не пропорционально их размерам, но одновременное разрушение значительной части зданий в Норильске уже будет бедствием национального масштаба. Не говоря уж об угрозе для основы экономического благополучия страны – магистральных трубопроводов.

Там же, где живет основная часть населения страны, – в европейской части – температурный скачок будет не так велик и в основном придется на зиму. Дело в том, что при температурах около нуля даже небольшой сдвиг в сторону плюса запускает цепочку положительной обратной связи: чем теплее, тем меньше дней в году лежит снег, отражающий солнечные лучи гораздо сильнее, чем темная земля. Значит, тем больше в этом районе будет поглощено солнечной энергии и тем сильнее он прогреется. (Этот механизм работает и в других районах со снежными зимами, но в разные сезоны – например, из-за него на Чукотке основное потепление приходится на весну). Летние же температуры же в средней полосе России в ближайшие десятилетия почти не изменятся. В среднем.

Однако и здесь, как и повсюду в мире, глобальное потепление будет сопровождаться резкой раскачкой климатического механизма, выражающейся в усилении и учащении всех погодных аномалий.

Это обычная реакция сложной многосвязной системы на резкие воздействия. Попробуйте рывком сдвинуть с места ванну с водой: сдвинете или нет – неизвестно, а вот что вода еще долго потом будет ходить ходуном и выплескиваться – можно не сомневаться.

Для средней России известны даже конкретные механизмы такой раскачки. По словам члена-корреспондента РАН, заведующего лабораторией теории климата Института физики атмосферы РАН Игоря Мохова, погоду здесь во многом определяет зональный ветер, постоянно дующий с Атлантики на восток и предотвращающий прорывы холодного воздуха из Арктики и теплого – с юга. Расчеты показывают, что с повышением средних температур он ослабевает – а значит, такие прорывы будут регулярными (то мы и наблюдали прошлым летом: два длинных сеанса 30-градусной жары в июне и августе и холодный июль между ними). В целом в европейской части страны чаще будут стабилизироваться антициклоны – что означает зимой экстремальные морозы (при том, что, как мы помним, в целом зимы будут заметно более теплыми), а летом – жару и засуху.

Парадоксальным образом по мере потепления в европейской России будут одновременно расти среднегодовое количество осадков и засушливость. На первый взгляд, этого просто не может быть, но дело в том, что вся прибавка осадков приходится на зиму. Летом же их общее количество почти не изменится, но сократится частота выпадения и увеличится интенсивность. Грубо говоря, три-четыре недели жаркой и сухой погоды будут чередоваться с тропическими ливнями, когда за пару часов с небес обрушивается месячная норма воды. Впрочем, на юге и юго-западе  европейской части будет еще хуже: модели показывают, что там сократится общегодовое количество осадков, уменьшится сток рек и резко возрастет пожароопасность. Последнее, впрочем, относится к широкой полосе, протянувшейся через всю Евразию от Атлантики до Дальнего Востока. «Южная граница лесов сдвинется к северу, – говорит доктор Мохов, – полоса лесов шириной в несколько сот километров, практичеси обречена сгореть.

Что мы и видим каждое лето в Испании, Португалии, Греции и т. д. Наши южносибирские леса к востоку от Байкала тоже должны были бы сгореть – и уже сгорели бы, будь там хоть немного побольше населения».

В общем перспективы изменения климата, как говорится, не греют. Но, как писал в свое время Марк Твен, «чаще всего мы попадаем в неприятности не потому, что чего-то не знаем, а потому, что не верим в то, что знаем».

Источник: «Что нового в науке и технике», №6 - 7, 2008 г.,