Виноват ли углекислый газ в парниковом эффекте

Молекулы углекислого газа атмосферы Земли содержат содержат 800 миллиардов тонн углерода. Фото Reuters

Природа парникового эффекта была объяснена 200 лет назад французским математиком и физиком Фурье. Поверхность поглощает солнечное излучение в видимой области спектра и излучает тепловое инфракрасное излучение (ИК). Из баланса соответствующих им потоков энергии определяется температура поверхности. Если на пути ИК поглощения поставить перегородку или поместить среду, которые частично возвращают ИК на поверхность, испускаемый поверхностью поток инфракрасного излучения увеличивается, что ведет к повышению температуры поверхности.

Пример, иллюстрирующий сказанное. Если бы атмосфера Земли отсутствовала, глобальная (то есть усредненная по времени и по поверхности земного шара) температура составляла бы один градус по Цельсию. Однако ее реальное значение равно 15оC. Еще сильнее парниковый эффект проявляется в атмосфере Венеры, средняя температура поверхности которой составляет 462оC.

Далее будет рассмотрен парниковый эффект в атмосфере Земли и роль в нем атмосферного углекислого газа. Основная цель – представить связь между глобальной температурой и концентрацией основных парниковых компонентов атмосферы.

Эволюция глобальной температуры Земли

Для этого сначала рассмотрим характер изменения глобальной температуры Земли со временем. Отметим, что локальная температура, усредненная по времени, то есть по времени суток и сезону, характеризуется флуктуациями до десятка градусов. Это же относится и к глобальной температуре, которая представляет собой усредненную по земному шару локальную температуру.

Рис. 1. Эволюция глобальной температуры Земли в соответствии с данными НАСА 2015 года. За нуль принимается среднее значение температуры между стрелками.

Для нас представляют интерес изменения глобальной температуры год от года, флуктуации которых измеряются десятыми долями градуса. Поэтому прямое нахождение локальной температуры не позволяет проанализировать характер эволюции глобальной температуры на основании измерений, проводимых на нескольких тысячах метеостанций начиная со второй половины XIX века, а также со спутников.

Это противоречие было преодолено американским ученым Хансеном, который в 1981 году предложил изящный метод для нахождения эволюции глобальной температуры. Этот метод сравнивает локальную температуру для заданной даты и времени суток, но в разные годы. Далее проводится усреднение как по времени суток и по сезону, так и по всему земному шару. Измерения глобальной температуры в зависимости от времени были выполнены в рамках программы НАСА на основе данных метеостанций, а также спутниковых измерений (рис. 1).

Как видно из этого графика, зависимость глобальной температуры от времени немонотонная, причем средний ежегодный прирост глобальной температуры в последние 40 лет составляет (0,018 ± 0,001)оC. 

При этом флуктуация глобальной температуры оценивается как (0,01–0,02)oC, так что достоверное изменение глобальной температуры создается в течение десятка лет. Проводимый НАСА мониторинг глобальной температуры Земли продолжается.

Рассмотренный метод использует одновременные измерения локальной температуры в разных географических точках земного шара. Не останавливаясь на разных методах определения локальной температуры в прошлом, представим метод на основе изотопного анализа отложений.

В этом случае температура материала в исследуемом ископаемом слое определяется из отношения концентраций стабильных изотопов O-18 и O-16, а время перехода этого слоя в отложения определяется из отношения концентраций других изотопов. В частности, датирование для времен примерно десятка тысяч лет следует из концентрации радиоактивного изотопа углерода C-14, время полураспада которого составляет 5730 лет, а образование происходит под действием космических нейтронов в атмосфере.

Эти методы составляют предмет геохронологии, где используются разные изотопы в зависимости от измеряемого времени.

Пример эволюции локальной температуры отложений в прошлом, полученный на основании изотопного анализа отложений, находящихся в глубоких слоях, приведен на рис. 2 вместе с концентрацией углекислого газа в воздушных пузырьках. Эти данные подтверждают условно-периодический характер зависимости температуры Земли от времени. Причем длительность одного ледникового периода составляет примерно 100 тыс. лет, что соответствует теории Миланковича (1920).

Рис. 2. Эволюция температуры поверхности и концентрации молекул углекислого газа вблизи поверхности Земли на станции «Восток» (Антарктида) (Петит и др. 1991).

Согласно ей, изменение температуры Земли происходит в результате изменения наклона земной оси к плоскости эклиптики. Далее, максимальная температура планеты наблюдалась в период эоцена, между 56 млн и 34 млн лет назад, когда она превышала современное значение глобальной температуры планеты примерно на 10 градусов.

Падение астрономического тела размером 10–15 км на поверхность Земли, которое произошло на полуострове Юкатан в Мексике 66 млн лет назад, вызвало и падение температуры Земли примерно на 7 градусов. Это привело к изменению животного мира: крупные динозавры исчезли, мамонты и ряд других млекопитающих заполнили освободившиеся ниши, а летающие динозавры превратились в птиц.

Эти факты показывают, что наша планета устойчива к изменению температуры на 10 градусов.

Зная эволюцию температуры в прошлом (см. рис. 2), можно рассмотреть современную эволюцию глобальной температуры, приведенную на рис.1. Как следует из этого рисунка, вторая половина XIX века и первая половина XX века характеризуются немонотонным изменением глобальной температуры, но в последние примерно 40 лет наблюдается относительно резкое потепление.

Естественно поставить вопрос: носит ли это потепление случайный характер или в последние годы возник стабильный источник энергии на Земле, который ведет к монотонному повышению глобальной температуры со временем? Однако трудно найти такой источник, возникший примерно 40 лет назад. Кроме того, из анализа эволюции локальной температуры в прошлом можно предоставить гораздо большие долговременные флуктуации температуры.

Это приводит к заключению, что наблюдаемое в последние 40 лет потепление является долговременной флуктуацией и поэтому может смениться в любой момент похолоданием. Имеется ряд примеров этому в прошлом.

В частности, начало прошлого тысячелетия было теплым, и в это время викинги оккупировали Гренландию. Однако, к XIII–XIV векам оно сменилось похолоданием, и викинги покинули Гренландию. Отметим при этом, что климатические события в прошлом мы не можем анализировать численно с точностью данных рис. 1.

Только в данных за последние 140 лет мы можем искать связь с короткими циклами солнечной активности.

Углекислый газ в атмосфере Земли

Нашей задачей является анализ вклада углекислого газа в парниковый эффект Земли, что дает возможность определить изменение глобальной температуры в результате наблюдаемого роста концентрации атмосферного углекислого газа. Характерное время нахождения молекулы углекислого газа в атмосфере составляет четыре-пять лет. Поэтому требуются точные измерения концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе вдали от источников и поглотителей углекислого газа.

Основной источник такой информации – обсерватория Мауна Лоа (Mauna Loa), расположенная на Гавайях (США), которая находится на плоскогорье на высоте 3400 м над уровнем моря. Это исключает влияние источников углекислого газа и позволяет оперировать с более или менее стабильной концентрацией углекислого газа в атмосферном воздухе. Согласно измерениям обсерватории Мауна Лоа, скорость накопления углекислого газа, которая составляла 0,7 ppm в год в 1959 году, теперь равна примерно 2,4 ppm в год (ppm – миллионная доля от какого-то базового показателя, единица измерения каких-либо относительных величин, равная 10-6).

Приведем эти представленные данные к стандартному анализу парникового эффекта атмосферы Земли. Одним из принятых параметров, описывающих изменение глобальной температуры в результате изменения концентрации парниковых газов, является равновесная чувствительность климата (ECS – equilibrium climate sensitivity) (Аррениус 1896). Она представляет собой изменение глобальной температуры при удвоении концентрации молекул углекислого газа.

Вышеприведенные значения для скорости изменения глобальной температуры начиная с 1980 года, как и концентрации атмосферного углекислого газа, дают для этой величины ECS = (1,8 ± 0,1) oC. На основе большого числа палеонтологических измерений, пример которого представлен на рис. 2, одновременное измерение скорости изменения локальной температуры и концентрации углекислого газа дает ECS = (3,0 ± 1,5) oC. Большая погрешность связана с тем, что вклад углекислого газа в парниковый эффект был разным в разные времена.

В представленных случаях концентрация углекислого газа использовалась как инструмент для определения состояния атмосферы. При другой постановке задачи, когда при изменении концентрации углекислого газа другие параметры атмосферы поддерживаются неизменными, изменение глобальной температуры при удвоении концентрации атмосферного углекислого газа составляет ECS = (0,4 ± 0,1) oC. Этот результат, полученный нами на основе классической молекулярной спектроскопии в рамках модели стандартной атмосферы, говорит о том, что вклад углекислого газа в парниковый эффект атмосферы составляет (15–20)%.

При этом отметим, что парниковый эффект в атмосфере Земли определяется тремя компонентами – водяным паром, водными аэрозолями и углекислым газом. Поскольку молекулярные компоненты излучают и поглощают в ограниченной области спектра, то их вклад в тепловое излучение Земли также ограничен.

Рассмотрим баланс углерода в атмосфере Земли, которая в настоящее время содержит примерно 800 млрд т углерода в молекулах углекислого газа. Ежегодно примерно 200 млрд т углерода усваивается растениями в результате фотосинтеза и столько же выделяется в атмосферу при гниении и дыхании растений. В результате производственной деятельности человека ежегодно добывается и сжигается примерно 10 млрд т углерода в составе угля, нефти и газа, причем основная часть продукта сгорания попадает в атмосферу Земли.

Как видно, максимальный вклад в скорость перехода углекислого газа в атмосферу за счет производственной деятельности человека не превышает 5%. Отсюда следует, что увеличение глобальной температуры за счет производственной деятельности человека при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере составляет примерно 0,02 градуса. Это гораздо ниже погрешности, которая возможна при современных измерениях глобальной температуры.

Парижское соглашение по углекислому газу

Совсем другие цифры положены в основу Парижского климатического соглашения (2015). В нем утверждается, что красная черта для необратимого нагревания атмосферы составляет 2oC, и мы можем достичь этой черты в ближайшее время, если не сократим выбросы углекислого газа в атмосферу. Для этого нужно разрабатывать также «неуглеродные» технологии.

Основной экономический тезис Парижского соглашения глубоко спрятан в тексте (пункт 9.3). Он сводится к тому, что для передачи этих технологий слаборазвитым странам необходимо, чтобы остальные страны ежегодно отдавали 100 млрд долл. определенным корпорациям, создающим эти технологии. Наша страна будет платить за это сумму, которая сравнима с той, что тратится на образование или здравоохранение.

На самом деле, как это показывает приведенный выше анализ, это соглашение можно уподобить одной из многочисленных пиар-кампаний нашего времени, где обоснование не имеет принципиального значения. Вместо этого достаточно махнуть пробиркой или привести случайные аргументы, которые впоследствии окажутся ошибочными. Но главное – правильно провести кампанию, чтобы убедить общественность.

В результате возникает своеобразная картина.

С одной стороны, в научной литературе и Интернете на основе исследований многих ученых доказывается, что накопление углекислого газа в атмосфере несущественно для климата. В частности, наблюдаемое потепление за последние полтора века может произойти за счет увеличения влажности атмосферного воздуха на 5%. С другой стороны, пропаганда, осуществляемая средствами массовой информации, дает другую картину. Видимо, в США, где атмосферная наука находится на другом уровне, можно сформулировать объективное отношение к данной проблеме. В частности, президент США Дональд Трамп во время предвыборных дебатов выразил сомнение в Парижском соглашении, и, когда он стал президентом, США объявили о предстоящем выходе из него.

Экологические проблемы атмосферы

Можно утверждать, что накопление углекислого газа в атмосфере при современных условиях не влияет на климат, как и на физиологические процессы, поскольку в выдыхаемом человеком воздухе содержится более 5% углекислого газа. Казалось бы, отсюда следует, что влияние деятельности человека на изменение климата в глобальном масштабе не представляет интереса.

Однако при анализе этой проблемы возникают другие вопросы и замечания. Скажем, как следует из данных рис. 2, в течение долгого времени в прошлом концентрация углекислого газа изменялась в пределах между 0,02 и 0,03%. Однако начиная с середины прошлого века концентрация атмосферного углекислого газа вышла из этого интервала и составляет 0,04%. Это свидетельствует о понижении скорости фотосинтеза, что может быть связано с уменьшением площади, занятой лесами.

Отметим, что выше мы основывались на данных НАСА, относящихся к глобальной температуре и средней концентрации атмосферного углекислого газа. Эти данные получены в результате многолетней кропотливой работы больших коллективов ученых. Однако подобная информация, относящаяся к фотосинтезу на поверхности Земли, отсутствует. Ежегодно горят леса в Калифорнии, Западной Европе, Восточной Сибири, вырубаются леса в акватории Амазонки. К сожалению, мы не располагаем связанной с этим подробной информацией, как в рассмотренных выше случаях.

При анализе устойчивости современной атмосферы Земли необходимо понять, при каких изменениях основных параметров существующий режим эволюции атмосферы сохранится. На основе опыта прошлого можно утверждать, что изменение глобальной температуры на 10 градусов не приведет к выходу из этого режима. Отметим, что на стадии формирования Земли, Венеры и Марса параметры их атмосфер были близкими и отличались на десятки процентов, а не в разы. Но последующее развитие атмосфер этих планет пошло по разным сценариям, и в настоящее время они существенно различаются.

В принципе даже слабые возмущения могут повлиять на устойчивость атмосферы. Как было установлено датским ученым Хенрихом Свенсмарком (1997), интенсивность космических лучей, вызывающих ионизацию в атмосфере Земли, коррелирует со степенью покрытия поверхности Земли облаками, поскольку ионы являются ядрами конденсации для атмосферной воды. Однако мощность, затрачиваемая на ионизацию атмосферы – 109 Вт, – на несколько порядков величины меньше мощности проникающего в атмосферу солнечного излучения – 1,7 х 1017 Вт.

Отсюда следует, что в цепи энергетических атмосферных процессов имеются чувствительные к относительно слабым изменениям, так что изменение мощности соответствующих процессов мало даже по сравнению с мощностью глобальных процессов в результате производственной деятельности человека. Для сравнения: мощность, выделяемая при сжигании горючих полезных ископаемых, составляет примерно 2 х 1013 Вт.