Глобальное потепление

Сергей Попов

Кто закрыл форточку?

           Итак, в дальнейшем будем исходить из гипотезы, что глобальное потепление действительно имеет место. В таком случае резонно поставить вопрос о его причинах. Сказать, что современная наука не может объяснить это явление, было бы не совсем верно. Скорее, загвоздка в том, что она может истолковать его слишком большим числом способов, и на сегодняшний день совершенно непонятно, какому из них следует отдать предпочтение. Самая ходовая гипотеза, объясняющая все происходящее, связывает изменение климата с так называемым парниковым эффектом, то есть различной степенью прозрачности земной атмосферы для видимого и инфракрасного излучения.

           Максимум спектра солнечного излучения, как известно, приходится на видимый диапазон. Это излучение почти беспрепятственно проходит через земную атмосферу, если только в ней нет облаков. Попав на земную поверхность или в воду, фотоны частично поглощаются, отдавая свою энергию, и частично рассеиваются — отражаются в произвольном направлении.

          Рассеянное излучение с высокой вероятностью уходит обратно в космос, и его энергия для Земли оказывается потерянной. То же самое происходит со светом, рассеянным облаками. Причем они отражают гораздо больше фотонов, чем почва или вода. Именно поэтому увеличение глобальной облачности понижает среднюю температуру. То же самое можно сказать про снег и лед на поверхности Земли.

         В целом долю света, которая теряется за счет рассеяния, характеризуют параметром под названием «альбедо». Первоначально им пользовались в основном астрономы, но теперь заинтересовались и климатологи. Альбедо Земли составляет 35—37%. Это значит, что 63—65% солнечной энергии поглощается нашей планетой. А раз энергия непрерывно поступает, значит, должна расти температура. Но она миллиарды лет остается почти постоянной, испытывая лишь небольшие колебания относительно среднего значения. Вывод: должен существовать канал для оттока энергии обратно в космос.

         И такой канал действительно существует — это тепловое излучение самой Земли. Как известно, любое нагретое тело испускает кванты, соответствующие его абсолютной температуре. Средняя температура поверхности Земли — около 15° Цельсия, или около 300 по Кельвину. Этой температуре соответствует середина инфракрасного участка спектра. Вся поверхность нашей планеты, включая дневную и ночную стороны, моря и горы, пустыни и ледники, постоянно светит в этом диапазоне длин волн. Однако именно в ИК-области находятся линии поглощения ряда газов, входящих в земную атмосферу. В их числе углекислый газ, метан и водяной пар — так называемые парниковые газы. Хотя этих газов в атмосфере относительно мало — углекислого газа, например, менее 0,04%, — различных линий поглощения так много, что они сливаются в сплошные полосы. Инфракрасный квант, излученный земной поверхностью, будет неоднократно переизлучаться, пока не доберется до высоты 4—5 км. Только оттуда у него есть шанс уйти в космос. Но температура на этой высоте примерно на 35° ниже, чем на поверхности Земли. Поэтому мощность излучения тоже заметно меньше (примерно на 40%), и это делает процесс охлаждения менее интенсивным.

        Если парниковых газов становится больше, то тепловое излучение уходит в космос с еще большей высоты при еще меньшей температуре. Что могло бы случиться с Землей, если бы парниковых газов в ее атмосфере было намного больше, можно видеть на примере Венеры. Укрытая плотной шубой из углекислого газа, планета разогрелась почти до 500°C, и только тогда было достигнуто равновесие между притоком и оттоком энергии. Впрочем, и недостаток парниковых газов — тоже не лучше. На Марсе атмосфера хотя и состоит в основном из CO2, но столь разрежена, что условия там даже на экваторе напоминают земную Антарктиду.

        Можно сказать, что парниковые газы — это своего рода форточка Земли, с помощью которой можно регулировать теплоотдачу нашей планеты, меняя тем самым температуру на ее поверхности. И вот похоже, что сейчас эту форточку довольно сильно прикрыли. Как показывают измерения, концентрация CO2, основного парникового газа в земной атмосфере, повысилась за последние сто лет на 26% и сейчас каждый год увеличивается на полпроцента. Причем соответствующего роста совокупной биомассы зеленых растений, питающихся углекислым газом, почему-то не наблюдается.

       Выбросы парниковых газов странами, наиболее активно сжигающими нефть, 2000 году.

       При торговле квотами на выброс парниковых газов цена за тонну СО2 составляет от 10 до 20 евро. При сжигании угля, нефти и газа в атмосферу сегодня выбрасывается около 20 млрд. тонн углекислого газа в год

        Казалось бы, нет ничего более естественного, чем увязать глобальное потепление с ростом концентрации углекислого газа в атмосфере, а этот рост — со сжиганием ископаемого топлива. При таком объяснении звенья выстраиваются в одну цепь, да еще и сразу становится понятно, что надо делать — сокращать выбросы CO2, а значит, отказываться от использования угля, нефти и газа.

         Именно этого и требует Киотский протокол, подписанный в 1997 году. Но если при его подготовке ситуация казалась вполне ясной, то к моменту вступления его в силу, в 2005 году, сомнения в научной обоснованности предлагаемых в нем мер стали общим местом в высказываниях климатологов. Оказывается, пока нельзя уверенно утверждать, что наблюдаемые изменения действительно связаны с деятельностью человека. Вполне возможно, что, принимая на себя вину за глобальное потепление, правительства вместо поиска истины идут по пути самооговора, к которому их активно склоняют экологи. Люди, не имея достоверных данных о том, что повышение уровня CO2 в атмосфере носит техногенный характер, тем не менее готовы принять на себя весьма обременительные обязательства по сокращению его выбросов.

Достоверность с оговоркой

        В многостраничном отчете Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата каждое утверждение сопровождается оговоркой о степени достоверности по следующей шкале. Например, «практически достоверно» означает вероятность правильности утверждения более 99%, «весьма вероятно» — 90—99%, «вероятно» — 66— 90%. Характерный пример утверждения из отчета: «…с конца 1960-х годов протяженность снежного покрова, весьма вероятно, сократилась на 10%». Или: «Вероятно, на некоторых территориях увеличилась интенсивность сухих условий в летний период и связанного с этим риска засух». Столь осторожные высказывания специалистов оставляют политикам широкие возможности для произвольной трактовки темы. При этом мотивы для принятия того или иного решения могут быть далеки от научных. Например, в Европейском союзе, и особенно в Великобритании, возобладало мнение о том, что потепление происходит преимущественно по вине человека. Именно поэтому ЕС активно лоббировал принятие Киотского протокола. Построенная на нем международная система торговли квотами на выброс парниковых газов стимулирует развитие альтернативной энергетики и энергосберегающих технологий. Эти технологии еще долго оставались бы нерентабельными, но, получив «допинг» от Киотского протокола, они вполне могут лет через 10—20 составить конкуренцию традиционной нефтегазовой энергетике. А это важный для Европы шаг в обеспечении энергетической независимости.

         Другой мотив — скрытая экономическая помощь развивающимся странам, необходимая для повышения международной стабильности. Открыто оказать масштабную помощь не позволяет общественное мнение жителей Европы. И тут Киотский протокол оказался как нельзя кстати — для развивающихся стран в нем практически нет ограничений по выбросам углекислого газа, а вот развитым придется оплачивать превышение квот. На практике это эквивалентно экономической помощи, но проводиться она будет под популярными в Европе экологическими лозунгами.

        В США правительство Буша, связанное с нефтяным лобби, выступило против Киотского протокола, резонно заявляя, что влияние человека на климат пока не доказано. Вместе с тем в университетской среде США к глобальному потеплению и возможности воздействия человека на климат относятся более обеспокоенно, чем в правительственных структурах. Показателен случившийся в начале года скандал, когда один из крупных специалистов-климатологов NASA заявил, что начальство предписывало ему не информировать прессу о результатах исследований, говорящих в пользу антропогенной природы потепления. Вскоре аналогичный скандал произошел и в Австралии, которая занимает сходную с США позицию. Интересен и пример России, правительство которой проигнорировало мнение большинства отечественных климатологов о том, что Киотский протокол не имеет надежного научного обоснования, и ратифицировало его ради укрепления отношений с ЕС и в надежде получить прибыль от продажи недоиспользуемой квоты на выброс CO2. В целом проблема изменения климата на сегодня является той зоной, где наука столь тесно переплетена с политикой, что очень трудно отличить одно от другого. Остается только надеяться, что прогресс в сфере климатологических исследований позволит со временем распутать этот клубок.

         Прогноз роста засушливых областей, вызванных глобальным потеплением. Моделирование выполнено на суперкомпьютере в Институте космических исследований им. Годдарда (NASA, GISS, США)

Керны против «Киото»

        Вполне возможно, что во всем происходящем виноваты естественные процессы, имеющие ту же природу, что и чередование малых и больших ледниковых периодов. Неожиданно высокая сегодняшняя скорость изменения температуры может быть лишь краткосрочным эпизодом, который впоследствии окажется рядовым всплеском на графике. Нельзя также исключить, что в прошлом уже были такие быстрые колебания, — просто при «записи» в ледниковые керны информация о скорости изменений исказилась, например, за счет диффузии.

         Результаты исследований все тех же ледниковых кернов заставили усомниться в обоснованности требований Киотского протокола. Дело в том, что повышение уровня CO2 в атмосфере зачастую не предшествовало, а следовало за потеплением. То есть оно являлось не причиной, а следствием потепления. Механизм этого явления нетрудно объяснить — при повышении температуры в атмосферу выходит углекислый газ, растворенный в воде (а здесь его в 60 раз больше, чем в воздухе) и находящийся в твердых породах. Этот эффект может, конечно, усиливать потепление, но вовсе не обязательно, что рост содержания CO2 может спровоцировать потепление, если климатическая система к этому «не готова».

        Другое дело, если земная атмосфера находилась в состоянии шаткого равновесия, будучи готова в любой момент перейти в режим потепления. В этом случае любое, даже малое воздействие — неважно, естественное или искусственное — вполне может спровоцировать начало такого перехода, подобно тому как маленький камень вызывает лавину.

Помогите предсказать

          В 2003 году британские климатологи запустили проект Climate prediction, в рамках которого любой владелец компьютера с выходом в Интернет мог поучаствовать в прогнозировании изменений климата. Для этого надо было установить небольшую программу, которая работала в периоды простоя центрального процессора. Один расчет — 45 лет модельного времени — занимал около 2 месяцев. По мере расчета можно было видеть меняющееся распределение температуры, облачности и осадков по поверхности земного шара. Это довольно любопытное зрелище. Желание лично внести вклад в исследование одной из важнейших проблем человечества привлекло к участию в проекте около ста тысяч человек из 150 стран, включая Россию. Спустя два года после его старта были опубликованы результаты, вызвавшие, однако, некоторое недоумение. С одной стороны, практически все модели уверенно показали значительное потепление климата во второй половине XXI века, но с другой — разброс данных производил довольно удручающее впечатление: величина прогнозируемого потепления варьировалась от 2 до 11,5°C. К началу нынешнего года разработчики существенно улучшили свою программу. Теперь она учитывает круговорот соединений серы и два слоя облачности. Также она научилась работать в фоновом режиме, намного эффективнее используя время простоя процессора. Популяризацией новой версии проекта занялась телерадиовещательная корпорация BBC, что позволило уже за первые два месяца привлечь больше участников, чем за все время реализации первой версии. Ожидается, что по суммарной вычислительной мощности это будет самый крупный проект в истории. На этот раз планируется выполнить около 500 тысяч модельных расчетов по 160 лет каждый. По мере осуществления проекта BBC будет освещать его результаты в своем эфире.

Эволюция вариантов и параметров

          Для того чтобы разобраться в хитросплетениях климатических изменений, надо, во-первых, продолжать сбор и анализ данных, а во-вторых, научиться максимально точно моделировать происходящие в атмосфере процессы. Здесь важно различать предсказания погоды и климата. Из-за случайных атмосферных флуктуаций уверенный прогноз погоды ограничен сроком около недели, максимум двух. Однако при моделировании климата нам важны лишь средние значения и коридоры, которые описывают погоду. Эти показатели можно вычислить на основе некоторых общих принципов — закона сохранения энергии, химических превращений атмосферных газов, динамики морских течений. Но даже таких общих принципов довольно много и далеко не все из них хорошо известны. К примеру, недавно совершенно неожиданно обнаружилось, что обычные зеленые растения могут поставлять в атмосферу метан, а некоторые новые леса, растущие на влажной торфянистой почве, выделяют больше углекислого газа, чем поглощают. Другой пример: до недавнего времени в климатических моделях не учитывалось влияние соединений серы, которая способствует образованию аэрозолей, а вместе с ними и облаков. Пока еще плохо понятно, как происходит теплообмен между океаном и атмосферой. Неизвестны особенности долгопериодических океанических циркуляций.

         Во всех подобных случаях климатологи вынуждены подбирать параметры модели методом проб и ошибок. Делается это примерно так. Строится компьютерная модель, по которой можно рассчитать эволюцию климата при различных вариантах параметров. Затем берется информация о состоянии климата, например в начале XX века, и строится ретропрогноз — прогноз для уже прошедших десятилетий. Если модель дает результаты, близкие к тому, что было на самом деле, то считается, что на нее можно положиться и в прогнозе на десятилетия вперед, а если нет, то параметры немного изменяются, и делается новая попытка.

       Беда, однако, в том, что таким способом удается построить довольно много моделей, которые хорошо согласуются с прошлыми данными, но дают разные прогнозы на будущее.

Когда встанет Гольфстрим?

         Именно таким способом получены прогнозы, приводимые в отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Вот некоторые из них. Ожидаемое глобальное потепление за период с 1990 по 2100 год составит от 1,4 до 5,8°C. Это многим больше, чем в XX веке, а температура в итоге станет рекордной за последние 10 тысяч лет. При этом в континентальных районах Северного полушария потепление будет примерно на 40% больше, чем в среднем по Земле. На всех материках уменьшится разница дневных и ночных температур.