Климат
Изменение климата Земли:
дело рук человека или вызов природы?
Увлекательные командировки в прошлые эпохи
Это было 1 октября, когда я позвонил в Санкт-Петербург своему старому приятелю В.М. Острякову, учёному-астрофизику, ведущему климатические исследования на своей кафедре в рамках совместной программы с американцами.
– Как там у тебя с климатом?
– Да вот, лежу под тремя одеялами, чтобы согреться. Уже заморозки, а центральное отопление ещё не включают.
– Как будто бы все говорят о глобальном потеплении, вызванном человеческой деятельностью.
– Ну, о влиянии человеческой деятельности можно особенно не беспокоиться. В космическом масштабе времени наша планета и без человека много раз теплела и охлаждалась.
– А есть у тебя какая-то своя версия происходящих изменений климата?
– Любая такая версия была бы просто спекуляцией. В таком фундаментальном вопросе можно полагаться только на проверенные факты.
– И как же вы их проверяете?
– Вот в этом и проблема. Нет ещё такого компьютера и такой программы, чтобы описать все прямые и обратные связи огромного числа факторов климатического механизма. Поэтому любые предварительные утверждения – это просто спекуляция, направленная на выбивание денег под те или иные программы.
– А на что же вы полагаетесь в своих исследованиях?
– Как я говорил, на проверенные экспериментальные данные, например, по отношению изотопов углерода и/или кислорода, имевшие место в разные промежутки земного развития. Именно эти отношения, например, С1²/C1³, косвенно характеризуют климатический характер Земли на тот момент.
– И где вы берёте такие отношения?
– В пластах полярных ледяных шапок или в толщах льда Гренландии в кернах глубокого сверления. Можно также выписать командировку на Красное море и исследовать кораллы, а на следующую зиму съездить в Австралию и сверить полученные там данные по кольцам деревьев с «коралловыми» данными.
Я подумал, что это достаточно логично. Каждый химический элемент, например, углерод или кислород уживается со своими братьями и сёстрами, которых называют изотопами (они немного отличаются своими массами). Соотношения этих изотопов в образце определяются внешними условиями, например, температурой окружающей среды, поскольку они из-за разности масс по-разному проникают в него (этот эффект называется фракционированием). Если знать, к какому промежутку времени относится образец, например, из ледникового керна, то можно оценить температуру того времени на Земле. Важно, что всё это время образец пролежал нетронутым, как и кольцо внутри дерева.
На рисунке 1 приведены полученные описанными методами данные об изменении за последние 600 миллионов лет средней (глобальной) температуры Земли и, соответственно, содержания углекислого газа в атмосфере.
Рис.1. Временной ход глобальной температуры Земли (синяя кривая и правая вертикальная шкала, C.R.Scotese) и содержания СО2 в атмосфере (чёрная кривая и левая вертикальная шкала, R.A.Berner) за последние 600 млн. лет.
10 вещей о климате, о которых нам интересно знать.
Лекция профессора Острякова
1. Климат Земли в прошлом испытывал сильные изменения и временами был сходен с климатом других похожих на Землю планет Солнечной системы.
2. Например, в отдельные исторические периоды климат Земли был схож с климатом современного Марса, когда средняя глобальная температура составляла -50°С, поэтому весь океан был покрыт слоем льда толщиной до 1 км. Эти периоды имели продолжительность до нескольких миллионов лет.
3. Однако большую часть времени климат на Земле был гораздо теплее, чем современный. При этом даже в полярных районах не было льда, потому что вода прогревалась там до +20°С.
4. За последние 600 млн. лет был только один такой же, как в современную эпоху период, при котором были такие же относительно низкие температурные показатели атмосферы и процентное содержание в ней углекислого газа.
5. При этом были отмечены 3 так называемых «ледниковых периода» продолжительностью по 10 – 20 млн. лет и 4 «тёплых» периода со средней температурой на 10°С выше современной. Эти «тёплые» периоды длились по 100 – 150 миллионов лет.
6. Современная климатическая эпоха началась примерно 10 – 15 миллионов лет назад. Следует знать также, что внутри больших климатических периодов существуют маленькие, продолжительностью до нескольких сотен лет и, естественно, с меньшими колебаниями температуры.
7. В современной науке считается общепринятым, что источником энергии для всех климатических процессов на Земле является солнечное излучение. При этом на короткой временной шкале суммарная интенсивность солнечного потока меняется в пределах 0,1%, потому что у Солнца большая масса и инерционность процессов генерации энергии. А вот для больших промежутков времени вариации солнечной энергии могут быть значительными. Например, 3 – 4 миллиарда лет назад светимость Солнца была на 20 – 30% ниже современной.
8. Другое дело – потоки специального характера, такие как ультрафиолетовые или рентгеновские лучи, а также лучи (а на самом деле, частицы), приходящие к нам из дальнего космоса: их изменения оказываются в несколько раз выше даже в пределах 11-летнего солнечного цикла.
9. Важнейшим атмосферным фактором нашего климата является парниковый эффект. Благодаря этому эффекту средняя температура Земли оказывается на 32°С выше (при средней современной температуре +14°С), чем была бы в его отсутствие (-18°С). На Марсе парниковый эффект увеличивает среднюю температуру поверхности всего на 4°С из-за тонкой атмосферы. В то же время на Венере благодаря плотной атмосфере, состоящей в основном из углекислого газа, поверхностная температура составляет около +500°С.
10. И, наконец, сильнейшее влияние на климат планеты оказывают облака. Их образование – один из наиболее трудных для физического моделирования атмосферных процессов. Облака, с одной стороны, охлаждают (отражая солнечные лучи), с другой, нагревают (парниковый эффект) планету.
При сравнении положений лекции с изображенным на рис. 1 могут возникнуть некоторые недоумения. Так, профессор говорит, что средняя современная температура Земли составляет +14°С, а температурная кривая на рисунке показывает +12°С. Далее, профессор говорит о трех ледниковых периодах, а на рисунке мы видим еще два периода с такой же температурой, как наш. Что же, они и были ледниковыми? А третий ледниковый, выходит, наш? Но мы привыкли считать, что ледниковый период – это когда вся Европа была покрыта льдом, и закончился он 10 тысяч лет назад.
Тут, во-первых, надо учесть то, что сказано в п.6 лекции: «внутри больших климатических периодов существуют маленькие». Масштаб рис. 1 не позволяет их показать. Во-вторых, надо учесть различие между научной терминологией и обывательской (популяризаторской). Мы считаем: раз то место, где мы живем, не покрыто постоянным льдом, значит, это и не ледниковый период. Но не забудьте, что льды зимой и летом покрывают гигантские пространства в полярных областях. А ведь большую часть всего 650-миллионного периода, когда глобальная температура на Земле была на 10 градусов выше нынешней, на обоих полюсах не было и льдинки.
Поэтому весь наш период длительностью в 10-15 миллионов лет наука называет ледниковым, хотя он и делится на более мелкие периоды длительностью в тысячи, а иногда и в сотни лет, когда льды покрывают то большую, то меньшую часть планеты. И +12°С – это средняя глобальная температура для всего большого ледникового периода. А +14°С – это глобальная температура для того относительно теплого «полуледникового» малого периода, в котором нам посчастливилось жить. В предшествовавший нашему малый период, который мы считает «настоящим ледниковым», глобальная температура Земли могла быть порядка +10°С, и этого было достаточно, чтобы льды покрыли всю Европу. Пара градусов – это в данном случае огромная разница: речь-то идет о средней для всей Земли температуре. Кстати, и наш «полуледниковый» малый период делится на еще меньшие, о чем подробно говорилось в статье «Спечемся или замерзнем?» в №4 «Рубежа» 2008 г.
Валерий Митрофанович Остряков (56 лет), профессор кафедры
космических исследований Политехнического университета, Санкт-Петербург, доктор физ.-мат. наук.
Математические коды
Далее я передаю слово Анатолию Павлову, старшему научному сотруднику Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.
Мы исследуем солнечные и другие космические потоки, возмущающие земную атмосферу, с учётом влияния на них магнитного поля Земли. Солнечные космические лучи (СКЛ), как ясно из самого названия, генерируются на Солнце при солнечных вспышках, а галактические космические лучи (ГКЛ) имеют происхождение вне Солнечной системы. Особенно энергичные из них возникают при вспышках сверхновых звёзд. В исследовании климата важную роль играет дипольная структура магнитного поля Земли, которая в районе экватора экранирует атмосферу от энергичных КЛ, но в полярных областях позволяет даже слабым частицам достигать поверхности. Отсюда следует, что наиболее интенсивная бомбардировка атмосферы происходит в полярных областях потоками и СКЛ, и ГКЛ, а над экватором прорываются только отдельные высокоэнергичные составляющие ГКЛ. Регулярность этих бомбардировок для СКЛ сильно зависит от 11-летнего цикла активности Солнца, а у ГКЛ (кроме 11-летнего цикла) на более протяжённой временной шкале определяется вспышками близких сверхновых звёзд, а также прохождением Солнечной системы через облака межзвёздного газа и/или другими космическими событиями.
В результате ионизация атмосферы, обусловленная этими бомбардировками, а следовательно, и скорость образования центров конденсации влаги в атмосфере, приводящая к рождению облаков, непрерывно меняется во времени и сильно зависит от долготы, широты и высоты рассматриваемой точки в атмосфере.
Поэтому моделирование изменения атмосферных процессов должно проводиться в рамках 4-х измерений, 3 из которых составляют координаты пространства и одна координата относится к времени. Сама четырёхмерная картина этих изменений не может быть представлена подручными средствами и изображается набором символов или кодов. Задача состоит в составлении этих кодов, например, в виде цифровых таблиц, по которым телевизионный преобразователь отображает на экран меняющуюся картинку. Эта сложная задача требует больших вычислительных и интеллектуальных ресурсов.
Составление этих кодов и представляет собой задачу, над которой мы работаем совместно с Goddard NASA – центром, штат Мэриленд, США. Кстати, одним из руководителей проекта с американской стороны является выпускник нашего университета Александр Павлов. Именно это интернациональное сотрудничество на стыке таких наук, как астрофизика, физика космических лучей, климатология и физика атмосферы, позволяет надеяться на успех.
Рис.2. Временной ход солнечной активности (числа Вольфа W) с 1750 года. Числа на рисунке обозначают принятую нумерацию циклов активности Солнца.
Солнечная активность пока что важнее, чем человеческая?
Существует множество сторонников антропогенной теории «теплой климатической катастрофы», а также многомиллиардные программы по спасению жителей Земли от собственного переутепления. Но есть и авторитетные критики такого подхода. Например, английский климатолог и основатель телеканала о погоде Джон Колман довольно резко критикует своих коллег, пугающих мир потеплением планеты, которых он прямо подозревает в жульничестве. «Их дружки в правительстве отстегивают на эту профанацию солидные гранты, чтобы сохранить видимость большой работы» – говорит он. Колман полагает, что по аналогичным причинам лет через 20 нас будут пугать глобальным похолоданием.
Датский эколог и экономист Бьёрн Ломборг в более дипломатической форме призывает не вдаваться в панику. «Тема потепления перегрета», – считает он. И подкрепляет свое мнение цифрами: «Киотский протокол стоит 150 миллиардов долларов в год. По оценкам ООН, за половину этой суммы … можно решить все основные мировые проблемы, начиная от снабжения людей чистой питьевой водой и заканчивая образованием и медицинской помощью». Немецкий журнал Der Spiegel в первом декабрьском номере поместил статью Ломборга, в которой показано, что цена мероприятий по уменьшению выбросов СО2 намного превышает стоимость вреда от него, почему автор призывает отложить планы защиты климата.
Ряд критиков напоминает, что в прошлом, например, в эоцене, температура была значительно выше сегодняшней (см. рис. 1), и жизнь при этом процветала. Тогда, около 50 млн. лет назад, содержание СО2 в атмосфере было значительно выше нынешнего значения. А в арктических морях Северного Ледовитого океана вода прогревалась до плюс 10 градусов.
Заключение
К началу копенгагенской конференции ООН с участием 193 стран на тему об ограничении потепления Земли двумя градусами Бог послал на Землю крепкие морозы, как бы напоминая, кто в доме хозяин. Канцлер Германии призывала правителей развитых, развивающихся и в некоторой степени недоразвитых стран к общему соглашению об не очень жаркой погоде, обещая выделить на это дело двузначные миллиарды. Вернувшись с конференции в Берлин, она с удивлением заметила, что похолодание до -15°С произошло на родной земле совершенно бесплатно. Это не могло ей не принести удовольствия, ибо её коллега мистер Обама приземлился в Вашингтоне в штормовую снежную бурю с обещанием «пустить на холод» целых 100 миллиардов!
И только африканские предводители застали в своих столичных аэропортах такую же тёплую погоду, как и во время отлёта. Ну что им эти 2 градуса? В Нджамене не бывает дня за целый год прохладнее, чем 30°С. Им бы водички чистой! За некоторую часть той большой цены, которую намереваются уплатить для охлаждения атмосферы…