Текст книги "Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?"

Глава пятая
Задача со многими неизвестными

Прошедшее нужно знать не потому, что оно прошло, а потому, что уходя, не умело убрать своих последствий.

В. О. Ключевский

Что мы знаем о климате далекого прошлого

Возраст Земли по современным представлениям составляет приблизительно 4,6 миллиардов лет. За это время наша планета прошла много стадий в своем развитии. Конечно же, эволюция коснулась и ее климата. Каков был климат в столь давние времена, мы вряд ли когда-нибудь узнаем достоверно (да это и не имеет большого практического значения). Однако проследить изменения климата на достаточно большом временно́м промежутке очень заманчиво: ведь если удастся понять их причины, это может стать ключом к пониманию оснований для его изменения сегодня. Занимается подобным специальная наука – палеоклиматология.

Основой для всякой теории, как известно, являются факты. В нашем случае необходимые факты чаще сокрыты под толщей Земли и лишь иногда в прямом и переносном смыслах лежат на поверхности. Их сбором занимаются геологи, археологи, палеоклиматологи, палеонтологи. Получаемые ими сведения очень разнородны: это и количественный и качественный состав воздуха и грунта, и перечень обнаруженных древних представителей флоры и фауны, и особенности быта наших далеких предков. На основе анализа всей информации воссоздается картина соответствующей эпохи: какие компоненты содержались в воздухе, какая часть земной поверхности была покрыта водой, теплым или холодным был климат и т. д. При этом если, например, концентрацию компонентов воздуха можно непосредственно измерить в воздушных пузырьках, вмерзших в лед на глубине нескольких десятков или сотен метров, то судить о характерной температуре эпохи можно лишь косвенно: по преобладанию теплолюбивых или, наоборот, морозостойких растений, по одежде людей. Согласитесь, картина получается, мягко говоря, неполная, а потому недостаточная для сколь-нибудь обоснованных выводов. Эту картину исследователи стремятся дополнить, исходя из универсальных законов природы, модельных оценок, наконец, здравого смысла. Однако представьте ситуацию, когда каждому из десяти выдающихся мастеров предложили восстановить античный сосуд по его небольшому фрагменту, найденному в ходе археологической экспедиции. В результате появится десять прекрасных, но различных версий сосуда, и нет никакой гарантии, что хотя бы одна из них в точности соответствует оригиналу! Так же и к реконструкциям климата прошлых эпох, произведенным в условиях недостатка объективной информации, следует относиться с долей здорового скепсиса, но в то же время стараться «отделить зерна от плевел», т. е. принять выводы, соответствующие современному уровню развития науки.

О чем же можно говорить с изрядной долей уверенности? Разочаруем сочинителей различных климатических страшилок: палеонтологические данные демонстрируют непрерывность развития жизни на Земле, а значит, за весь охваченный наблюдениями период никаких климатических катастроф не происходило!

В монографии А. С. Монина и Ю. А. Шишкова[12]12
  История климата. Л., 1979.


[Закрыть] говорится, что за все время существования жизни на планете «температура на Земле всегда оставалась в пределах жидкой воды». Палеоданные также свидетельствуют о том, что в истории Земли ее поверхность – материки и океаны – и климат подвергались существенным изменениям. Популярная ныне «эпоха динозавров», составляющая небольшую часть этой истории, характеризовалась более теплым климатом (среднеглобальная температура была выше современной на 5–10 °C) и отсутствием полярных снежно-ледовых областей. Ледниковый щит Антарктиды, по современным оценкам, образовался примерно 15–20 миллионов лет назад, его объем постепенно увеличивался и достигает сегодня около 24 миллионов кубических километров (приблизительно 90 % всего объема ледников на планете; из оставшихся десяти процентов девять приходится на Гренландский ледовый щит и 1 % – на все остальные).

Такое количество льда, если он полностью растает, обеспечит подъем воды в Мировом океане примерно на 55 метров. Однако в так называемой четвертичной эпохе (геологическом периоде, начавшемся примерно 2,6 миллиона лет назад и продолжающемся по настоящее время) наступления и отступления ледников происходили почти регулярно.

Изменялись площадь и положение материков на земной поверхности вследствие дрейфа континентов – они сдвигаются ежегодно в среднем на 1–2 см. Совсем немного. Однако, скажем за 100 миллионов лет, это перемещение составляет величину порядка тысячи километров! Такое смещение континентов напрямую не сказывается на весьма грубых оценках климата соответствующих палеопериодов, но помогает интерпретировать некоторые находки палеонтологов: следы коралловых рифов в Арктике, каменного угля – на Шпицбергене и в Антарктиде, останки динозавров – в Южной Патагонии (Аргентина). В результате пополнение базы палеоданных всегда сопряжено с трудностями их интерпретации и обобщения.

Много определеннее наша осведомленность о состоянии атмосферного воздуха в те далекие времена. Концентрация основных парниковых газов (подробный разговор о них еще впереди) значительно отличалась от современной: так, согласно измерениям в ледниковых щитах Антарктиды и Гренландии, содержание углекислого газа, метана и оксида азота(I) было меньше примерно на 25, 60 и 25 % соответственно в последний межледниковый период (около 120 тыс. лет назад) и на 50, 80 и 40 % в последний ледниковый период (около 18 тыс. лет назад).

При этом изменения содержания вышеперечисленных парниковых газов и температуры происходили синхронно, т. е. когда росла концентрация, возрастала и температура, падение же концентрации сопровождалось снижением температуры. Климатологи спорят лишь об одном: что здесь причина, а что – следствие? То ли увеличение содержания парниковых газов влекло за собой разогрев атмосферы, то ли начавшееся по каким-то иным причинам потепление способствовало обогащению атмосферы парниковыми газами (климатический аналог дискуссии, что было прежде: курица или яйцо?). Есть косвенные данные о том, что изменения содержания парниковых газов предшествовали изменениям температуры воздуха, но они еще нуждаются в подтверждении.

Как ни удивительно, но нет полной определенности с арктической ледовой шапкой: здесь даже в относительно теплую и недавнюю «эпоху викингов» (IX–XII вв.), по мнению А. С. Монина, «возможно, не было или было лишь немного многолетних льдов». Затем наступило похолодание, и последующие четыре века (1430–1850 гг.) часто называют малым ледниковым периодом.

Вот так обстоят дела с изучением климата прошлых веков. Как мог заметить внимательный читатель, в этом небольшом разделе неоднократно встречалось словосочетание «ледниковый период». Дальнейший рассказ как раз о ледниковых периодах.

Глава шестая
Земля в ледяном плену

Тот, кто глядит в прошлое, так же видит будущее, как видно в зеркале глубоких вод высокое небо.

Ш. Петефи

Циклы миланковича

Найдется немало людей в нашей стране, у которых слова «ледниковый период» ассоциируются исключительно с некогда популярной передачей на одном из центральных телеканалов или одноименным мультфильмом. Мы же, естественно, будем вести речь о ледниковых периодах, случавшихся в истории Земли. Чтобы «добраться» до них, придется совершить виртуальное путешествие в глубь даже не веков, но десятков тысячелетий. А вот доказательства того, что такие периоды действительно существовали, в буквальном смысле лежат на поверхности: становление «большого льда» и, главным образом, его сход оставляли отметины на «теле» планеты в виде цепей холмов (ледниковых морен), гигантских валунов, возникших на ранее сухих местах болот и мохового покрова и пр. (геологи легко «расширят и углубят» этот перечень). «Ну, существовали… – и ладно! Что нам сегодня до этого?» – пробурчит прагматичный читатель. Но кое-какой интерес у нас имеется. Уже само название «ледниковый период» справедливо подразумевает наличие в ту пору очень холодного климатического режима. А с чего бы вдруг, спрашивается, ему установиться? Какие такие могущественные силы, отличные от современных, довлели при его формировании? И что сводило на нет их действие ближе к окончанию каждого из ледниковых периодов? Очевидно, другие не менее могущественные природные силы (человек, конечно же, тут непричастен). Какие? Хотелось бы знать, желательно – поименно. Проявляются ли они сейчас или «затаились на время», чтобы в самый неподходящий момент восстать, как птица Феникс из пепла? Не удружат ли они нам очередным витком всемирного обледенения и не окажутся ли на его фоне наши треволнения о глобальном потеплении никчемной суетой?

Ледниковые периоды стали возникать в четвертичный период истории Земли, около двух миллионов лет назад. За это время масштабное оледенение наступало, по крайней мере, четырежды, а последний ледниковый период случился около 18 тыс. лет назад. На рис. 6 цв. вклейки показаны зоны обледенения поверхности Земли в течение последнего ледникового периода. Обращает на себя внимание тот факт, что в Северном полушарии область, покрытая льдом, много больше своего южного антипода. Различно и распределение льдов в Западном и Восточном полушариях: главный ледниковый щит Западного полушария – Лаврентийский – охватывал пространство Аляски, Канады и Гренландии, а в Восточном подо льдом оказывались Скандинавия, Таймыр, небольшие площади севера европейской России. В то же время Северная Азия и Чукотский «хвост» были почти безледными с замерзшей почвой – той, что сегодня именуется вечной мерзлотой. В Северном полушарии медленное наступление ледников каждый раз начиналось на суше с севера на юг, с вершин гор к их подножиям, также с севера на юг смещались морские границы льда. В Антарктиде первый ледниковый щит появился примерно 20 миллионов лет назад. Тогда же между Антарктидой и Южной Америкой образовался пролив, много позже названный именем Дрейка, и круговое течение, блокировавшее приток теплых вод из тропиков к самому южному континенту.

Чем объясняется такая неравномерность ледяного покрова? Недавние исследования с применением климатических моделей помогли установить две основные причины. Первая – лед может расширять свои «владения» только на суше. В море от «языка» ледника откалываются айсберги, которые дрейфуют в более теплые воды (больше некуда!), где и прекращают свое существование, и, как следствие, общая площадь морского льда почти не увеличивается. Таким образом, в богатом морями Южном полушарии (площадь суши – 49 млн км²) рост материкового льда ограничивается Антарктидой, и его площадь не увеличивается при понижении температуры. В Северном полушарии (площадь суши – 100 млн км²) таких сдерживающих факторов нет, и материковый лед может беспрепятственно распространяться на юг.

Вторая причина обусловлена обратной связью между отражательной способностью поверхности и температурой. Как, вероятно, знает читатель, белый снег наиболее эффективно отражает солнечную радиацию, достигшую земной поверхности. При снижении температуры усиливаются как выпадение снега, так и образование ледяного покрова, и отражательная способность поверхности возрастает. Далее ослабляется поглощение ею солнечной энергии, а следовательно, ее температура падает еще больше, что благоприятствует появлению все новых масс снега и льда. Но, как было сказано выше, площадь ледника может заметно возрастать лишь в Северном полушарии, поэтому именно здесь взаимосвязь отражательной способности поверхности и температуры действует наиболее продуктивно.

А различие между Западным и Восточным полушариями? Здесь опять «виноваты» размеры площади суши, а также ее сезонный нагрев летом и охлаждение зимой. В климатологии хорошо известен так называемый континентальный эффект сезонного хода температуры и осадков. В середине материка, вдали от морских берегов, зима холоднее, лето теплее, осадков (дождя, снега) выпадает меньше, чем в прибрежных зонах или на островах в океане. В Сибири и вообще в Северной Азии лето, хотя и короткое, но обычно сухое и жаркое. Ледники в большой Евразии тают быстрее, чем в меньшей по площади Северной Америке, а прирастают медленнее из-за меньшего количества осадков, которых в Восточной Сибири выпадает немного. Таким образом, в Восточном полушарии – в Азии – затруднено образование ледниковых щитов и «облегчено» их относительно быстрое таяние по сравнению с Северной Америкой и Гренландией.

Однако пора уже рассказать о причинах таких ледовых «напастей». В разгар Второй мировой войны в Европе, в 1941 г., была опубликована книга сербского астрофизика М. Миланковича (1879–1958), содержавшая объяснение интересующего нас феномена. Впрочем, неудивительно, что в то «горячее» время она осталась практически незамеченной. И только позже, в 1960-х, в свете произведенных тогда измерений содержания изотопов кислорода в ледовых кернах и в донных отложениях древних озер и океанов, гипотеза Миланковича нашла свое подтверждение. «Корень зла» заключается в колебаниях количества достигающей Земли солнечной радиации (в пределах от 5 до 10 %) на протяжении больших промежутков времени. Но чтобы понять причины таких колебаний, нам придется мысленно совершить визит в планетарий (см. рис. 8 цв. вклейки).

Траектории планет Солнечной системы, согласно первому закону Кеплера, представляют собой эллипсы (овалы). Орбита обращения Земли вокруг Солнца (происходящего, кстати, со скоростью 29,8 км/сек.) – эллипс, мало отличающийся от круга, а степень этого отличия – эксцентриситет – изменяется в пределах от 1 до 5 % (в настоящее время – 1,67 %) с главным периодом около 100 тыс. лет, который совпадает с периодом наступления и отступления ледников. Одновременно Земля вращается вокруг своей оси, причем направление этой оси в пространстве, в соответствии с законом сохранения момента импульса, должно быть всегда одним и тем же. Однако присутствие других планет, а также спутника Земли Луны приводит к тому, что возникают некоторые периодические отклонения, сказывающиеся и на орбите Земли, и на ее вращении.

Всего насчитывается 14 различных движений орбитальных процессов, совершаемых нашей планетой в космосе. Миланкович рассмотрел три из них. Помимо упомянутого вращения Земли вокруг Солнца, это прецессия и нутация.

Земная ось, которая «должна» была бы иметь всегда неизменную ориентацию, в реальности движется по круговому конусу с вершиной в центре Земли (период полного оборота равен 25 750 лет), это движение называется прецессией. Следствием прецессии является то, что в январе, когда расстояние между Землей и Солнцем минимально (и, значит, наша планета получает наибольшее количество солнечной энергии), Северное полушарие отвернуто от Солнца, а Южное, напротив, к нему повернуто. Такие отдаленность и приближенность полушарий к светилу обусловливают времена года: в январе в Северном полушарии – середина зимы, в Южном – разгар лета. По истечении половины периода (т. е. примерно через 13 тыс. лет) ситуация переменится на противоположную – тогда в Северном полушарии январь и июль поменяются ролями, и январь окажется летним месяцем. «По совместительству» и угол наклона земной оси к плоскости орбиты также подвержен небольшим колебаниям (рамки их изменений от 21,5° до 24,5° с периодом 41 тыс. лет, современное значение – 23,5°) вследствие влияния Луны и Юпитера. Такие колебания и есть нутация.

Согласно Миланковичу, ледниковые периоды возникают только тогда, когда все три орбитальных процесса действуют в одном направлении и их эффекты накладываются один на другой, усиливая друг друга. Поскольку эти астрономические факторы имеют разные периоды, то время от времени такие «оптимальные» условия возникают (рис. 9 цв. вклейки).

Современные исследования в основном подтверждают выводы Миланковича, но накоплено и немало данных, не вписывающихся в его теорию (справедливости ради отметим, что то же самое можно сказать о любой из бытующих сегодня теорий). Поэтому, вероятно, есть основания говорить о статистической справедливости теории Миланковича (т. е. признать существование колебаний климата с периодами 41 тыс. и 100 тыс. лет). Однако комплексное совместное воздействие на нашу планету иных планет и особо приближенной к ней Луны значительно усложняет картину и вносит в нее заметные коррективы, не учтенные ни автором теории, ни даже его последователями. И что же дальше?

Согласно расчетам Миланковича, следующий ледниковый период на Земле должен начаться приблизительно через 50 тыс. лет. Однако можно с большой долей вероятности предположить что современное беспрецедентно быстрое потепление глобального климата ставит под сомнение его наступление. В свете ускоренного роста концентрации углекислого газа и достижения ею не имевших в прошлом аналогов значений (см. далее раздел «Первый парень на деревне») парниковый эффект в состоянии нейтрализовать попытки орбитальных факторов в очередной раз установить на Земле «господство Снежной королевы». Такой спурт концентрации СО₂ не позволит океану достигнуть нового равновесного состояния, что влечет за собой неустойчивость климата и резкое увеличение числа природных катастроф (землетрясений, цунами, наводнений и пр.).

Поэтому, наверное, не стоит загадывать, что произойдет через столь долгий промежуток времени (тем более что проверить качество такого прогноза нам не удастся…). Резоннее сосредоточиться на решении текущих проблем изменений климата в ближайшем будущем.

И тут снова возникает вопрос о причинах его современных изменений. Как было сказано выше, поток солнечной энергии (солнечная постоянная) оставался практически неизменным. Астрономические факторы (движение планет) не могли так существенно сказаться на столь коротком (всего лишь – столетие) временном отрезке. Продолжим наши поиски.

Глава седьмая
Если не солнце, то что?

Небо и Земля разделены, но они делают одно дело.

Конфуций

Причины современных изменений климата

Наше «путешествие в эмпирей» подошло к концу, пора возвращаться на грешную Землю. Аналогично тому, как повышенная температура у человека – не причина, а следствие недомогания, обсуждаемое увеличение температуры в ХХ веке является результатом нарушения радиационного баланса между приходящей – коротковолновой и уходящей – длинноволновой радиацией (рис. 11).

Рис. 11. Иллюстрация к оценке радиационного баланса на поверхности Земли. КВР – коротковолновая радиация; ДВР – длинноволновая радиация

В связи с увеличением температуры чаша с коротковолновой радиацией стала «весить» несколько больше чаши с радиацией длинноволновой. По каким причинам это произошло и где эти причины искать? Помнится, герой старой рязановской комедии утверждал, что кого-кого, а Бабу Ягу следует воспитывать в своем коллективе. Так и нам искать эти причины придется в своей климатической системе, больше негде! Собственно, основных направлений поиска два: либо уменьшились «транспортные издержки» доставки коротковолновой радиации от верхней границы атмосферы к земной поверхности, либо сократился отток длинноволновой радиации в открытый космос. Вариант с одновременным изменением как притока, так и оттока радиации («кто кого переборет») отложим пока в долгий ящик. Но если с первым направлением как будто все ясно, то второе нуждается в дополнительном пояснении. Задержка части уходящего излучения обусловлена наличием в атмосфере группы газов и аэрозолей, способных поглощать такое излучение. Естественно, газы эти «работают» не только сейчас, «работали» они, по О. Бендеру, и «до исторического материализма». Весь вопрос в том, изменилась ли, и если изменилась, то насколько, продуктивность этой «работы» в течение прошлого столетия. Постараемся в этом разобраться.

Под одним «одеялом»: парниковый эффект и вызывающие его газы

Расчищая авгиевы конюшни, нельзя забывать о проблеме экологии.

Б. Шапиро (Интернет)

Идею по поводу механизма парникового эффекта в 1827 г. изложил французский ученый Ж. Фурье (1768–1830). Чуть позже, в 1860 г., ирландский физик Д. Тиндаль (1820–1893) экспериментально установил, что углекислый газ CO₂ «не пропускает» исходящее от Земли тепловое излучение. Детальное же исследование парникового эффекта было проведено в 1896 г. шведским химиком С. Аррениусом (1859–1927).

О парниковом эффекте пишут много, но часто его смысл искажается.

Суть парникового эффекта – в поглощении атмосферой, точнее – парниковыми газами атмосферы и некоторыми аэрозолями, длинноволновой радиации, испускаемой нагретой подстилающей поверхностью. Поглощенная всяким парниковым газом энергия длинноволнового излучения вызывает повышение температуры воздуха. Увеличенное содержание парникового газа и подобное повышение температуры вызывают рост потока длинноволнового излучения вниз, к подстилающей поверхности, и вверх, к верхней границе атмосферы. В теплом воздухе повышается влажность, а водяной пар – самый сильный парниковый газ. Поглощение им длинноволнового излучения приводит к резкому повышению температуры воздуха. Так несколько положительных обратных связей[13]13
  Здесь под положительной обратной связью понимается ситуация, когда проявление одного климатоформирующего фактора ведет к активизации других факторов и их совместное воздействие оказывается в результате более сильным, чем от влияния одного первоначального фактора. Отрицательная обратная связь, напротив, выражается в том, что активизация других факторов ослабляет влияние первоначального.


[Закрыть] многократно усиливают парниковый эффект и делают его самым значительным среди всех других антропогенных климатоформирующих факторов (рис. 12 и рис. 10 цв. вклейки).

В иерархии эффективности парниковых газов на первом «королевском» месте безоговорочно располагается водяной пар. Его господство среди парниковых газов столь же незыблемо, как превосходство Солнца над прочими влияющими на климат Земли факторами. Водяной пар поглощает длинноволновую радиацию почти на всех частотах (иначе – полосах поглощения) инфракрасного излучения (λ > 0,7 мкм) и делает это много интенсивнее прочих парниковых газов. Лишь в диапазоне длин волн 8 мкм < λ < 13 мкм поглощение водяным паром минимально, и, как следствие, излучение с такими длинами волн может покидать атмосферу почти беспрепятственно. Поэтому специалисты обычно говорят об этом явлении как о «прозрачности» атмосферы в указанном интервале длин волн, а сам интервал именуют окном прозрачности. В этой связи главным критерием значимости всякого другого парникового газа является его способность эффективно поглощать инфракрасное излучение внутри такого окна прозрачности или вблизи его границ. Рис. 13 иллюстрирует, на каких длинах волн (отложенных на оси абсцисс) излучение поглощается газами (заштрихованная область), а на каких такое поглощение отсутствует. Снизу стрелками показаны основные полосы поглощения, а также газы, «ответственные» за каждую из этих полос.

На почтительном отдалении от «короля» – его «свита», в которой по ранжиру значимости выстраиваются углекислый газ (СО₂), метан (СН₄), озон (О₃) и оксид азота (I) (N₂О). Но, как известно, «короля делает свита»: если стабильность климата поддерживается водяным паром, то ответственность за последовавшие в ХХ веке его (климата) изменения ложится на «малые газы».

Рис. 12. Схема строения и состава атмосферы. Кривая – вертикальный профиль температуры стандартной атмосферы (средних широт); в скобках – длины волн интервалов поглощения радиации (1 мкм = 1 ·10^-6 м)

Рис. 13. Спектр пропускания атмосферы Земли в оптической и инфракрасной областях. Отмечены полосы поглощения кислорода (O₂) (ультрафиолет), водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂) и озона (О₃) (инфракрасная область)

«Малые» потому, что 78 % воздуха составляет азот, еще 21 % – кислород, а следовательно, на все остальные компоненты, в том числе и вышеперечисленные, остается всего около 1 %. Однако недаром говорят: «Мал золотник, да дорог». Самое время познакомиться с некоторыми из наших героев.