Предполагается, что планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) когда-то были похожи друг на друга. Они состояли из почти одинаковых пород, имели сходную по составу атмосферу, имели способность удержать около себя атмосферу и воду на поверхности. Разница в климате возникла из-за разного круговорота углекислого газа при обмене им между корой, океаном и атмосферой.
Марс потерял возможность возвращать углекислый газ в атмосферу, поэтому он "заморожен". На Венере, наоборот, нет механизмов снижения концентрации углекислого газа в атмосфере. Меркурий совсем не способен удержать атмосферу, и Солнце полностью определяет температуру его поверхности.
Как и водяной пар, углекислый газ является парниковым газом. Это значит, что он, хорошо пропуская солнечное излучение в видимой части спектра, сильно поглощает инфракрасное - тепловое - излучение. Это излучение идет от поверхности Земли. То есть углекислый газ играет роль оболочки, поглощающей тепловое излучение планеты и, за счет процессов в атмосфере, возвращающей ее назад.
Расчеты показали, что существующий климат Земли обязан происхождением особенностям механизма газового обмена. При остывании планеты количество углекислого газа в атмосфере возрастает, при нагревании - увеличивается.
При своем развитии Солнце изменяло светимость, эволюцию звезды мы рассматривали в лекции 13. Известно, что 4 миллиарда лет назад радиус Солнца был меньше на
182
7%, а температура поверхности - ниже на 4%. То есть светимость была на 27% меньше нынешней. Поэтому, по оценкам, если бы атмосфера Земли 2 миллиарда лет назад соответствовала нынешней, то она должна была бы находиться в замороженном состоянии.
Однако известно, что уже тогда существовали океаны. То есть атмосфера была иной, чем сейчас. Если в первоначальной атмосфере Земли парциальное давление (доля, вносимая в общее давление) углекислого газа составляло тысячные доли атмосферы, то вода бы не могла замерзнуть. Естественно считать, что климат менялся вместе с эволюцией планет.
Есть основания полагать, что первоначально парниковый эффект на Земле создавался за счет аммиака и углекислого газа. Однако аммиак под действием солнечного света разлагается на азот и водород. Поэтому для поддержания постоянной концентрации аммиака необходимо было бы выделение аммиака из горных пород. Углекислый газ разрушается светом заметно медленнее и его достаточно много на Земле. Парциальное давление СО2 в атмосфере невелико (0,0003 мм рт. ст.), однако его очень много в горных породах (достаточно для создания парциального давления 60 мм рт. ст.).
Оценки показали, что содержание углекислого газа снижалось в атмосфере со скоростью, точно компенсирующей
Рис. 21.1
К объяснению "парникового эффекта"Верхние графики (ж) - относительные спектры излучения Солнца и нагретой Земли. Внизу - спектры поглощения атмосферы (а), водяного пара (б), углекислого газа (в), озона (г), закиси азота (д), метана (е). Видно, например, что озон поглощает коротковолновое излучение Солнца. Углекислый газ поглощает тепловое излучение Земли.
183
возрастание светимости Солнца. Более того, показано, что Земля находится на удивительно точном расстоянии от Солнца, необходимом для поддержания температуры за счет парникового эффекта. Если бы Земля была ближе к Солнцу всего на 5%, то атмосфера нагрелась бы настолько, что в результате прогрессирующего парникового эффекта испарились бы океаны. Если бы, наоборот, расстояние от Солнца было больше всего на 1%, то за счет подавления парникового эффекта началось бы разгоняющееся оледенение. Только в узкой полоске от 0,95 до 1,01 а.е. Земля смогла избежать этой катастрофы климата (и жизни).
Скорее всего, содержание углекислого газа менялось в соответствии с изменением температуры поверхности Земли. Этот режим саморегуляции, или отрицательной обратной связи, обеспечил планете устойчивость климата.
Эта обратная связь могла обеспечиваться карбонатно-силикатным геохимическим циклом, способным отвечать за 80% обмена углекислым газом между планетой и атмосферой с периодом более 500 000 лет.
Началом цикла можно считать растворение атмосферного углекислого газа в водяных капельках и образование угольной кислоты Н2СО3. Эта кислота вступает в реакции с горными породами. Продукты реакции поступают в грунтовые воды, океан, оседают в скелетах организмов, состоящих из карбоната кальция (CaCO3). Из останков этих организмов формируются осадочные породы (лекции 17,18). Через многие тысячелетия эти породы попадают в земные недра, где под действием давления и температуры карбонат кальция соединяется с кремнием. При этом образуются силикатные породы и выделяется углекислый газ. Газ вновь попадает в атмосферу. Цикл завершен.
Изменения температуры земной поверхности влияет на количество углекислого газа в атмосфере и величину парникового эффекта. Пусть по некоторой причине средняя температура Земли понизилась. Тогда уменьшается испарение воды из океана, меньше выпадет дождей, уменьшается эрозия почвы, связанная с осадками. То есть скорость покидания атмосферы углекислым газом уменьшится. Но скорость регенерации и поступления его в атмосферу останется прежней. То есть в атмосфере
184
начинается накопление углекислого газа, развитие парникового эффекта и повышение температуры. В случае потепления отрицательная обратная связь обеспечит понижение температуры.
В круговороте СО2 большую роль играют живые организмы. Часть СО2 (около 20%) выводится из атмосферы растениями в результате фотосинтеза. При гниении растений и окислении в почве оказывается больше СО2, чем 400 миллионов лет назад, до появления растений. Поэтому превращение силикатных материалов в осадочные породы происходит быстрее, чем в начале эволюции Земли. Исчезновение растений привело бы к повышению температуры на 10°С за счет действия отрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.
Светимость Солнца растет примерно на 1% в 100 миллионов лет, то есть через 1 миллиард лет на Земле могут возникнуть условия, угрожающие существованию жизни и сохранению жидкой воды.
Климат Земли неоднократно менялся. 18 000 лет назад льдом была покрыта практически 1/3 современной суши. Уровень воды в Мировом океана был ниже на 100 м, среднегодовая температура - ниже на 5°С. Это было последнее оледенение.
В ранней истории Земли найдено минимум три оледенения за последний миллион лет. Показано, что ледниковая эпоха наступает каждые 100 миллионов лет, однако образование льда занимает значительно меньше времени, чем его таяние.
Известно несколько теорий резкого изменения климата. Одной из причин считают незначительные отклонения (циклические изменения эксцентриситета) земной орбиты, наклона земной оси к плоскости эклиптики и прецессии оси. Когда действие этих эффектов складывается, возникает "резонанс", возможно заметное изменение климата, причем не в отдельных районах, а на всей планете.
Последние исследования показывают, что переходы между ледниковыми и межледниковыми условиями представляют собой скачки между двумя устойчивыми состояниями системы "атмосфера-океан". Все ледниковые периоды совпадали с низким уровнем Мирового океана.
185
Для низкого уровня Мирового океана характерны оледенение, усиленная вертикальная циркуляция воды (за счет нагрева глу0ин земным теплом и интенсивного охлаждения на поверхности), рост биопродуктивности и активное видообразование. Континенты слабо затоплены, поэтому формирование осадочных пород за счет образования угольной кислоты уменьшается; концентрация углекислого газа в атмосфере растет; климат теплеет; льды тают, увеличивается площадь затопленных континентов; понижается циркуляция воды в океанах.
14 000 лет назад наша планета стала летом нагреваться в северном полушарии сильнее, чем в Южном. Сейчас, кроме "астрономических" факторов, появился новый - человек. В атмосферу выбрасывается все больше парниковых газов, в частности - углекислого. Какова возможная реакция климата на эти воздействия? Резкие изменения климата могут катастрофически сказаться на развитии цивилизации.
Анализ изменений климата за 1000 лет показал, что имеется общая тенденция к его потеплению. Модели, на основе которых строятся предсказания изменений климата, очень сложные, многопараметрические. И результаты их имеют достаточно низкую предсказательную силу. Достоверно известен лишь факт общего потепления климата на 0,5°С за столетие.
При этом ясно, что даже фоновые колебания температуры на 1-2°С, непрерывно происходящие в природе, сказываются на урожаях. Кроме того, изменение средних температур происходит преимущественно за счет приполярных областей. Многолетние наблюдения показывают, что средние температуры на экваторе остаются практически неизменными. Понижение средней температуры на 0,5°С ведет к понижению ее у полюсов на 2-3°С. Как результат - растут площадь и толщина льдов.
А что произойдет при потеплении? Уменьшается перепад температур между полюсами и экватором. То есть снижается интенсивность циркуляции атмосферы, ослабевает перенос энергии от экватора к полюсам, засушливые зоны становятся еще более засушливыми, продуктивность живого вещества падает.
186
Еще в прошлом веке известный климатолог, геофизик А.И. Воейков сформулировал построенный на многолетних наблюдениях закон: "Тепло на Севере - сухо на Юге". Всякий раз, когда в ходе циклического изменения средних температур на Севере начинает теплеть, в Заволжье, Казахстане, других районах юго-востока Евразии, увеличивается количество засушливых лет. Особенно чутко откликается на изменение количества осадков растительность пустынь и полупустынь. Достаточно на Севере средней температуре вырасти не более чем 1°С, как растительность Приаралья становится значительно беднее.
Рассмотрим возможные воздействия на климат катастрофических явлений на Земле (извержений вулканов, пожаров, ядерных взрывов).
Наиболее сильное извержение на памяти человечества - взрывы вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 году. При этом на высоту тропопаузы (границы между тропосферой и стратосферой) было выброшено около 100 км3 пыли. Частицы пыли размером менее 4 мкм могут находиться в атмосфере более года, поглощая солнечное излучение. Дошедшие рассказы очевидцев свидетельствуют не только о красивых закатах, но и необычно холодном и дождливом лете в Европе. Однако климатические изменения, связанные с этим явлением природы, вряд ли превосходили фоновые колебания климата.
Иная ситуация возникает при огромных пожарах. При этом в атмосферу попадет не только огромное количество пыли, но и сажи. При этом инициировать гигантский пожар может как природное явление, так и, скорее всего, человек. Не так давно во время конфликта между Ираком и Кувейтом возникли гигантские пожары на нефтяных приисках. Такой "спичкой" может быть ядерный взрыв.
В результате ядерного взрыва пожар может вспыхнуть не только в лесах, но и в городах, где плотность горючих материалов в 5-8 раз больше, чем в лесу. В случае ядерной войны даже при применении только 10% боевого ядерного потенциала в костер превратится 1 миллион квадратных километров леса. В результате этого в атмосферу будет выброшено около 4 миллиардов тонн сажи (примерно столько же по массе, сколько было выброшено
187
вулканом Тамбора). Однако это уже сажа, и она понизит количество энергии, поступающей к поверхности, по меньшей мере, в два раза. Более того, в этом случае облака сажи над городами будут много плотнее, чем над лесами. Углерод во много раз интенсивнее любой пыли поглощает солнечное излучение. Следовательно, нагревается и поднимается в стратосферу. Нагревает ее и увеличивает испарение окружающих облаков. То есть увеличивается количество осадков. (В Хиросиме и Нагасаки после ядерных взрывов шел черный дождь, однако сажа долго держалась в воздухе.)
Общее длительное (несколько месяцев) снижение температуры планеты может в результате этого составить 20-40°С. Отсюда и название - "ядерная зима". Это привело бы к исчезновению практически всех форм жизни, кроме насекомых.
Таким образом, неразумные действия политиков могут привести к таким глобальным последствиям, которые не способно вызвать ни одно локальное катастрофическое природное явление.
Процесс экономического развития является, по существу, процессом увеличения потребления энергии для обеспечения большей производительности и эффективности труда человека. Оценки показывают, что мировое потребление энергии на душу населения увеличивается с темпом 1,3% в год. Тогда при учете скорости роста населения суммарное увеличение потребления энергии составляет 3,4% в год. При этом 97% энергетических потребностей человечества удовлетворяется за счет сжигания ископаемого топлива. Выделение углекислого газа в атмосферу при этом составляет почти 20 миллиардов тонн. За счет этого обеспечивается рост концентрации СО2 на 0,2% (причем это число экспоненциально возрастает). Примерно половина выделяемого CO2 поглощается океаном. Оценки показывают, что с середины XIX века до начала XXI века концентрация СО2 в атмосфере выросла на 31%.
Существует и еще один побочный эффект, связанный с использованием энергоресурсов, не зависящий от типа используемого топлива. В соответствии с законами термодинамики, вся используемая энергия, в конце концов, рассеивается
188
в виде тепла. Если энергоресурс отличается от естественной солнечной энергии, то это тепло будет выделяться в атмосферу, приводя к ее потеплению. Известно, что избыточный нагрев воды нарушает жизненный баланс водных организмов. Скопление тепловых отходов около городов приводит к образованию вокруг них "тепловых островов" со многими метеорологическими аномалиями.
Так, выход неиспользованной тепловой энергии в воздушный бассейн над Лос-Анджелесом, занимающим площадь более 6000 км2, в 1972 году составлял 5% от общего притока солнечной энергии, поглощаемой этой поверхностью. В настоящее время в промышленных зонах выход избыточного тепла достигает 18% от потока солнечной энергии.
Если термальное загрязнение достигнет величины, заметной по сравнению с получаемой от Солнца и поглощаемой естественным образом Землей, оно сможет оказать весьма значительное влияние на глобальный климат планеты.
- Какие глобальные эффекты влияют на климат Земли?
- Объясните понятие "обратная связь". Приведите примеры известных вам обратных связей в природе и технике.
- Круговорот каких веществ определяет основные условия формирования и поддержания климата?
- Какова роль океана в формировании климата Земли?
- Объясните понятие "парниковый эффект". В чем роль парникового эффекта для формирования климата Земли?
- Проанализируйте график на рис. 21.1. Какие газы поглощают тепловое излучение Земли? В каких диапазонах длин волн поглощают излучение природный газ, вода, закись азота?
- Почему мы считаем, что человек оказывает влияние на глобальный климат планеты? Парниковый эффект и человек. Какова связь?
- Что мы понимаем под глобальным равновесием климата? Может ли быть нарушено это равновесие в результате деятельности человека?
189
