Г. А. Гусев

Глобальное потепление: критический взгляд

Важнейшим инструментом научного анализа процессов глобализации является метод математического моделирования. Однако его возможности ограничены рамками используемых моделей, которые не всегда адекватны наблюдаемым процессам и явлениям. Адекватная модель позволяет не только классифицировать состояние изучаемой системы, но и сделать прогноз относительно ее поведения в ближайшем (в соответствующем масштабе времени) будущем.

При построении моделей сложных явлений, к которым, безусловно, относятся явления планетарного масштаба, важнейшую роль играет полнота используемой базы данных. К сожалению, именно для явлений планетарного масштаба такую базу создать исключительно сложно: по экономическим соображениям и историческим причинам возможности эксперимента и наблюдений ограниченны. Тем не менее физико-математических моделей очень много, и они неплохо согласуются с экспериментом (если не иметь в виду прогнозы).

Поскольку имеющиеся фактические данные наблюдений и экспериментов неточны и неполны, для областей, не охваченных измерениями, часто приходится прибегать к экстраполяции (не всегда обоснованной). Помимо этого, для упрощения модели (чтобы можно было провести расчеты за какое-то разумное время) приходится пренебрегать некоторыми физически важными, но сильно усложняющими задачу деталями. Такая методология автоматически подразумевает неточность описания явления.

Учитывая описанные трудности создания математических моделей планетарных процессов и составления с их помощью долговременных прогнозов, мы рассмотрим одну из широко обсуждаемых сегодня проблем – глобальное потепление климата на нашей планете.

Что такое глобальное потепление?
Глобальная средняя годовая температура и климат

Под глобальным потеплением обычно понимают среднее повышение в течение десятков лет средней годовой температуры. Сразу отметим, что в настоящее время это условие не выполняется. Вот типичный текст из Интернета: «Есть данные более чем по 20 регионам. Бросается в глаза то, что факт потепления более бесспорен для Северного полушария Земли. Причем в самом Северном полушарии заметен меридиональный градиент: на севере потепление заметнее, чем на юге. В Южном полушарии по-настоящему серьезное потепление отмечается только на Антарктическом полуострове. Причем на всей остальной территории Антарктиды, особенно в ее центральных районах, ничего похожего в последние 50 лет не наблюдается. Все это дает основание ряду ученых говорить, что потепление носит локальный характер, связанный с Северным полушарием Земли». Можно встретить и утверждения относящиеся к одному году, вроде таких: «В 2005 г. была самая высокая годовая температура на станции «Восток». Ясно, что такие данные вполне могут быть просто случайными.

Логика измерений и осреднения температуры представлена на схеме (рис. 1).

Следует отметить, что рассчеты среднегодовых температур, сделанные разными организациями, далеко не всегда совпадают друг с другом. Некоторое представление о том, какой может быть результирующая точность, дает график изменений  глобальной среднегодовой температуры по данным некоторых метеостанций США и Великобритании (рис. 2). Довольно явный разброс среднегодовых значений температуры (более 0,2 °С) сопровождается значительным расхождением результирующих сглаженных кривых – до 0,2 °С.

Не известны также и ошибки измерений, поскольку они зависят от методики измерений и полноты экспериментальных данных. Таким образом, на конечный результат влияют методика измерений, способ осреднения данных по времени и пространству и  использованные для осреднения данные. Вполне вероятно, что ошибка может составить даже 0,3 °С, а не 0,1 °С (как обычно предполагают с необоснованным оптимизмом).

На изменения глобальной температуры влияют многие факторы. Факторы, ведущие к потеплению: антропогенная эмиссия CO₂, метана, закиси азота; увеличение содержания в атмосфере Земли водяного пара вследствие роста температуры, а значит, и испаряемости воды океанов; выделение CO₂ Мировым океаном вследствие его нагревания; уменьшение альбедо (отражающая способность) Земли в инфракрасном диапазоне; выделение метана при таянии вечной мерзлоты; разложение метангидратов – кристаллических льдистых соединений воды и метана, содержащихся в приполярных областях Земли.

Факторы, препятствующие потеплению: глобальное потепление вызывает замедление скорости океанических течений – замедление теплого течения Гольфстрим вызовет снижение температуры в Арктике; с увеличением температуры на Земле растет испаряемость, а значит, и облачность, которая является определенного рода преградой на пути солнечных лучей; с ростом испаряемости увеличивается количество выпадающих осадков, что способствует заболачиванию земель, а болота являются одними из главных депо CO₂; увеличение температуры способствует расширению площади теплых морей, а значит, и расширению ареала моллюсков и коралловых рифов, депонирующих CO₂; увеличение концентрации CO₂ в атмосфере стимулирует рост и развитие растений, которые являются потребителями CO₂.

Интересно проследить, как изменялась средняя годовая температура в геологическом масштабе времени (рис. 3) и как соотносились эти изменения с содержанием в атмосфере СО₂  и СН₄  за последние 800 тыс. лет (рис. 4).

Возникает вопрос: а каким образом можно узнать об изменениях в атмосфере Земли в такой глубине веков? Такие данные (например, за последние
420 тыс. лет) были получены при изучении результатов бурения ледника на станции Восток (Антарктида). По содержанию во льду изотопа кислорода ¹⁸О с точностью до десятых долей градуса была реконструирована температура воздуха на поверхности ледяного щита, изменения в составе атмосферы концентраций углекислого газа и метана, а также колебания запыленности атмосферы.

Если сравнить уровень СО₂ в течение последних 800 тыс. лет с современным, равным 395 ppm, то стоит признать, что антропогенный выброс СО₂ действительно велик в сравнении с предыдущей эпохой, когда оледенения и межледнивековья (эпохи глобального потепления) происходили при низком уровне СО₂, демонстрируя слабую зависимость этих процессов от самой концентрации СО₂.

Отметим, что любой среднегодовой глобальной температуре может соответствовать несколько совершенно различных климатических многообразий на Земле. Например, при неизменной среднегодовой глобальной температуре в Северном полушарии может быть в среднем потепление, а в Южном – компенсирующее его похолодание. Или в Северном и Южном полушариях произойдет определенная климатическая перестройка, сильно изменяющая условия жизни многих экосистем, а формально найденная средняя глобальная температура не изменится.

Причины глобального потепления и похолодания

Основные гипотезы о причинах глобальных изменений климата сводятся к следующим.

Гипотеза 1. Причиной глобального потепления является изменение солнечной активности.

Гипотеза 2. Причина глобального потепления – изменение угла оси вращения Земли и ее орбиты. Здесь речь идет о медленных (сотни тысяч лет) изменениях.

Гипотеза 3. Виновник глобальных климатических изменений – океан. Это очень правдоподобное предположение, т.к. океан в силу своей большой теплоемкости и наличия теплых и холодных течений способен быть как стабилизирующим фактором, так и причиной изменчивости климата в разных масштабах пространства и времени.

Гипотеза 4. Вулканическая активность. При извержениях мощных стратовулканов, когда массы пыли и пепла выбрасываются высоко вверх, рассеиваются в стратосфере и вызывают хорошо известный эффект «ядерной зимы», влияние на климат прослеживается явно.

Гипотеза 5. Взаимодействия между Солнцем и планетами Солнечной системы, приводящие как к возмущению солнечной активности, так и к возмущению элементов орбиты Земли: и то и другое влияет на климат Земли.

Гипотеза 6. Изменение климата может происходить само по себе без каких-либо внешних воздействий и деятельности человека. Эта гипотеза вполне правдоподобна и отражает неизбежность собственных колебаний в системе оболочек Земли (атмосфера, океан, поверхность суши и горных массивов, ледников Арктики и Антарктики).

Гипотеза 7. Всему виной человек. Эта гипотеза самая радикальная. Она связана с недооценкой значения перечисленных выше гипотез, а также с желанием использовать «экологическое сознание» в политических целях.

Экспериментальная информация о климате черпается из следующих источников: исторические летописи и хроники; метеорологические наблюдения; спутниковые измерения площади льдов, растительности, климатических зон и атмосферных процессов; анализ палеонтологических (останки древних животных и растений) и археологических данных; анализ осадочных океанических пород и отложений рек; анализ древних льдов Арктики и Антарктиды (соотношение изотопов ¹⁶O и ¹⁸О); измерение скорости таяния ледников и вечной мерзлоты, интенсивности образования айсбергов; наблюдение за морскими течениями; наблюдение за химическим составом атмосферы и океана; наблюдение за изменениями ареалов (мест обитания) живых организмов; анализ годовых колец деревьев и химического состава тканей растительных организмов.

Климат древних эпох изучает палеоклиматология. Экспериментальные данные используются для построения глобальной климатической модели, но их точность и точность модели не может быть оценена однозначно.

Основные долговременные климатические циклы в течение четвертичного периода (2,6 млн лет) – это эпоха оледенений и межледниковий. Оледенение – это похолодание, разрастание покровных ледников до умеренных широт, понижение уровня океана на 100 м и более. За последние 800 тыс. лет было 8 оледенений. Во время межледниковий бывают также значительные вариации климата (рис. 5). Так, имел место малый ледниковый период – похолодание XIV–XIX вв., а также малый климатический оптимум X–XIII вв. В теплые периоды среднегодовая температура арктических широт поднималась до 7–13 °С, а температура самого холодного месяца января составляла 4–6 °C. На смену теплым периодам рано или поздно приходили похолодания, во время которых льды достигали современных тропических широт.

Так есть ли глобальное потепление? Существующие данные дают основание ряду ученых говорить, что потепление носит локальный характер и связано с Северным полушарием Земли. С другой стороны, по мнению некоторых климатологов, климатическое равновесие настолько хрупко, что наблюдаемое в XX в. потепление уже стало необратимым и закончится полным таянием льдов, по крайней мере, в Северном полушарии. Однако это не подтверждается прошлой климатической историей, поэтому большинство специалистов не столь радикальны в своих суждениях.

Парниковый эффект

Парниковый эффект – это повышение температуры нижних слоев атмосферы по сравнению с температурой верхних сравнительно холодных слоев, которая является эффективной температурой Земли,  температурой, которую бы определили наблюдатели из космоса. Атмосфера прозрачна для солнечного излучения в оптическом диапазоне длин волн, поэтому оно беспрепятственно достигает поверхности Земли и нагревает ее. Эффективная средняя температура поверхности Земли составляет около 23 °С. Как и всякое нагретое тело, поверхность Земли излучает электромагнитные волны, причем при такой температуре максимум излучения приходится на инфракрасный диапазон. В этой области длин волн некоторые газы, получившие название парниковых (СО₂, Н₂О, СН₄, и др.), очень хорошо поглощают излучение, что приводит к нагреванию нижних слоев атмосферы, т.е. к парниковому эффекту.

Парниковым газом номер один является водяной пар, его вклад в существующий атмосферный парниковый эффект составляет, по некоторым оценкам, 20,6 °С. На втором месте находится СО₂, его вклад составляет, по тем же оценкам, около 7,2 °С. Из космоса мы видим излучение сравнительно холодных слоев атмосферы, а атмосфера – это теплоизолирующая оболочка. Разность температур на поверхности Земли и эффективной, видимой из космоса, составляет 30–39 °С. Схема, иллюстрирующая парниковый эффект, представлена на рисунке 6.

Миф о роли антропогенного (2–6 Гт СО₂) фактора в возможном глобальном потеплении состоит из недооценки естественного круговорота СО₂ (190 Гт) и роли других факторов (водяной пар, нелинейная теплопроводность, конвекция и т.д.). Главный поставщик СО₂ в атмосферу – океан. Увеличение содержания СО₂ в атмосфере по сравнению с доиндустриальной эпохой составило 31%, причем не доказано, что это следствие антропогенного влияния. За это время средняя глобальная температура выросла примерно на 0,3–0,9 °С.

Но не только СО₂ участвует в парниковом эффекте (вклад водяного пара примерно в 3 раза выше вклада СО₂), и не только парниковый эффект регулирует температуру в нижних слоях атмосферы. Факторов много, и важны динамика и обратные связи, противодействующие любым изменениям в большой термодинамической системе (принцип Ле-Шателье–Брауна).

Сторонники гипотезы глобального потепления утверждают, что избыток антропогенных парниковых газов нарушает устойчивость климата, приводя к катастрофическим последствиям для человечества. Противники этой гипотезы утверждают, что, согласно геологическим данным, значительное потепление на Земле всегда через некоторое время приводит к росту СО₂. Кроме того, точность определения средней равновесной глобальной концентрации СО₂ остается под вопросом.

Считается, что за последние 100 лет средняя температура поднялась на 0,3–0,6 °С, но относительно причин этого явления единого мнения нет. Можно ли в сложной динамической и статистической системе отделить влияние человека от естественных факторов? Это главный вопрос.

Влияние потепления на живую природу

Влияние потепления на живую природу весьма разнообразно и может быть оценено по изменениям в фауне и флоре, хотя не все изменения связаны только с климатом. Есть естественный эволюционный ход с возможными скачкообразными переходами. Общая схема воздействия глобальных и региональных потеплений на организмы, их сообщества и в целом на экосистемы представлена на рисунке 7. Отметим, что приводимые ниже данные не всегда могут быть распространены на всю Землю, а касаются только местных экосистем.

Под статическим воздействием потепления понимается действие самой температуры как физической величины, а под динамическим – влияние скорости ее изменений во времени на экологию.

Глобальное потепление ускорило ход очень многих биологических событий. Специалисты изучили изменения, зафиксированные в 1976 и 2005 гг. у более чем 700 видов рыб, птиц, млекопитающих, насекомых, земноводных, планктона и растений. Выяснилось, что более 80% биологических событий – цветение растений, овуляция у млекопитающих, миграция птиц и др. – сегодня начинаются в среднем на 11 дней раньше, чем в 1970-х гг. С каждым десятилетием темп изменений ускоряется. Пока различия возникают независимо друг от друга на разных уровнях пищевой цепи. Причем в нижней части цепи изменения в биологических событиях проявляются сильнее, чем в верхней. Теоретически впоследствии это может оказаться серьезной проблемой. Например, сложно предположить, будут ли хищники в состоянии адаптироваться к изменениям, произошедшим с их добычей.

По данным наблюдений, некоторые виды птиц в Великобритании из-за потепления климата стали откладывать яйца значительно раньше, чем это происходило 40 лет назад. Согласно научной терминологии, эти процессы в жизни пернатых называются фенологическим сдвигом. Из-за климатических изменений в Северной Америке становится все меньше снега, а вместе с ним исчезают и росомахи. Леса вечнозеленой секвойи и другие экосистемы вдоль западного побережья США могут столкнуться с засухой.

Глобальное потепление, по оценкам ученых, может привести к гибели 30% растительного и животного мира. Причем гибель животных будет сопровождаться их ассимиляцией с мигрирующими особями, особенно с юга, а также возрастающим распространением переносчиков различных заболеваний, которые могут серьезно повредить и самому человеку, уничтожая посевы и провоцируя эпидемии.

В последнем отчете Всемирного фонда дикой природы приведен прогноз для России в связи с глобальным потеплением: распространение инфекций (энцефалит и малярия); засухи, которые коснутся всех степных районов; разрушение инфраструктуры, дорог и зданий в связи с таянием вечной мерзлоты. 

Ботаники из Швейцарии показали, что реакция флоры умеренных широт на потепление будет зависеть от типа и состояния растительных сообществ. Растения пионерных и нарушенных экосистем будут быстро отвечать на потепление, зрелая экосистема широколиственных лесов более инертна. Это различие связано с преобладанием альтернативных механизмов регуляции сезонных циклов у растений пионерных и зрелых экосистем.

С нашей точки зрения, все предлагаемые прогнозы потепления будут опровергнуты временем, как это уже было, например, в случае прогнозов по уровню воды в Каспийском море или запасам нефти (прогнозы Римского клуба, о которых благополучно забыли). Вообще, далекие линейные экстраполяции в глобальных масштабах или в локальных масштабах, но на долгие времена, давно себя исчерпали. Об этом говорит весь накопленный опыт. В то же время следует сказать, что независимо от природы и длительности настоящего потепления, по крайней мере, в Северном полушарии, его надо учитывать в экологической охранной деятельности. Так, очевидно, что надо спасать леса, реки, экосистемы там, где это возможно, четко понимания, что действительно глобальному потеплению противостоять силами человечества невозможно (рис. 8).

Может ли современная наука ответить на все вопросы?

Нужно иметь в виду, что сложная климатическая машина Земли зависит от многих физико-химических параметров суши и океана, которые тесно связаны с деятельностью Солнца, его гравитационным полем и полем других космических объектов в Солнечной системе и вне ее. Эта система эволюционирует, имеет различные масштабы временных вариаций и определенную инерционность, позволяющую на разных временных и пространственных масштабах наблюдать относительную устойчивость климатических параметров.

В то же время под влиянием внутренних (земных) и внешних причин могут запускаться катастрофические процессы потери относительной устойчивости в периоды межледниковий, последствия которых неприемлемы для жизни человечества на современных обжитых территориях. Вопрос в том, может ли современная наука предсказывать такие катастрофы.

В настоящее время усилиями физиков и математиков построено большое число глобальных климатических моделей, которые часто претендуют на весьма точное описание эволюции климата. Прогресс в построении таких моделей обычно выражается в добавлении новых важных деталей в общую математическую модель, однако узнать, лучше или хуже согласуются прогнозы новых моделей с данными наблюдений, почти невозможно. К тому же теоретики не любят обсуждать вопрос о качестве экспериментальных данных и выборе самих экспериментальных методик. На глобальных картах температур, давлений, скоростей воздушных потоков все выглядит довольно убедительно и правдоподобно, но прогнозы  редко бывают точны. Одной из причин является то, что быстродействие современных компьютерных комплексов не позволяет учесть все данные достаточно плотной сетки точек наблюдений на Земле, тем самым выбрасываются сильные локализованные в пространстве динамические эффекты.

Вопрос в том, может ли человечество конкурировать с естественными процессами с помощью пассивных или активных воздействий. Скорее всего, возможности человечества ограничены более или менее точным прогнозом глобальных катастрофических климатических перестроек и пассивными методами борьбы с потерей экологического равновесия в региональных масштабах. Но и это уже требует напряжения всех экономических сил да еще в условиях кризиса.

Романтики, забывая, что денег для осуществления проектов нет, предлагают такие оригинальные способы предотвращения глобального потепления, как выведение новых сортов растений и пород деревьев, листья которых обладают более высоким альбедо, покраска крыш в белый цвет, установка зеркал на околоземной орбите, укрытие ледников от солнечных лучей и т.д. Много усилий тратится на замену традиционных источников энергии, основанных на сжигании углеродного сырья, на нетрадиционные – солнечные батареи, ветряки, приливные электростанции, а также ГЭС, АЭС. В будущем планируется уделять большое внимание улавливанию парниковых газов при производстве электроэнергии и непосредственно из атмосферы путем захоронения растительных организмов, использования хитроумных искусственных деревьев, закачки CO₂ на многокилометровую глубину в океан, где он будет растворяться в водной толще.

Большинство перечисленных способов нейтрализации CO₂ очень дороги. В настоящее время стоимость улавливания 1 т СО₂ составляет приблизительно 100–300 долларов США, что превышает рыночную стоимость 1 т нефти, а если учесть, что при сгорании 1 т нефти образуется приблизительно 3 т CO₂, то многие способы связывания CO₂ оказываются пока невыполнимыми.

Остается самый главный вопрос: как конкурировать с отлаженной за миллиарды лет космической тепловой машиной, включающей Землю, Солнце, океан, сушу, ледники, атмосферу, биосферу, стратовулканы, и как учесть ее постоянные сбои, к счастью для нас, на больших временных отрезках. Единственным, но и достаточным утешением может служить то, что за последние несколько тысяч лет эта машина не пыталась уничтожить человечество. Полагаясь на ее инерционность, с известной долей оптимизма можно считать, что человечество имеет еще лет 500 для самоусовершенствования.

Заключение

В вопросе о глобальном потеплении дьявол прячется в слове «глобальный». Очень трудно наполнить это слово точным физическим смыслом, если не иметь в виду некий упрощенный подход, когда Земля представляется малым телом с однородной температурой, характеризуемой одним числом. Этот параметр сам по себе ничего не определяет вне контекста сложной модели с большим числом разных эффектов, хотя бы таких, как парниковый эффект, циклонические вихри, холодные и теплые течения в океанах, распределение по глубине многих физически важных параметров. Кроме того, нет однозначной связи между динамикой процессов на Земле и этим средним: совершенно различные глобальные климаты в течение года могут дать одно и то же среднее.

Важно определить, что такое глобальное потепление и является ли оно именно глобальным, если иметь в виду все экспериментальные данные. Изложение причин похолодания и потепления в виде гипотез очень разумно. Казалось бы, так же разумно связывать глобальное потепление и похолодание с состоянием наших главных холодильников (Арктический и Антарктический бассейны) и главных инерционных сфер, прежде всего океана. Но здесь могут быть ловушки, если иметь в виду кратковременные измерения (20–30 лет), т.к. инерционность этих сфер очень велика и именно по этой причине происходят собственные колебания, природа которых очень сложна. Так что, на наш взгляд, вопрос о глобальном потеплении вряд ли может быть решен однозначно на основании всего лишь отдельных наблюдений, относительно которых даже нет единства среди разных групп ученых. Но несомненно, что в последние 20–30 лет в Северном полушарии потепление имеет место.

Что касается самой разницы температур на поверхности Земли и в верхних слоях атмосферы, то здесь все предлагаемые модели совпадают с достаточной точностью. Однако при увеличении концентрации CO₂ старые модели дают значительное усиление парникового эффекта. Недавно предложена модель, учитывающая дополнительно к тепловому излучению конвекцию и теплопроводность. В результате главную роль в парниковом эффекте стал играть водяной пар и «повышение концентрации CO₂» перестало звучать устрашающе. Правда, специалисты пока не определили своего отношения к этому факту.

Влияние потепления на экологическую обстановку даже в региональном масштабе следует признать давно доказанным. В самом деле, если отвлечься от каких-то смелых экстраполяций в будущее, то обычно приводимые факты по локальным эффектам легко проверяются местными жителями, особенно когда речь идет о теплых зимах или таянии вечной мерзлоты. Кроме того, биосферные эффекты, касающиеся отдельных организмов, наблюдаются всеми нами на бытовом уровне и потому вопросов не вызывают. Более тонкие эффекты действия потепления или похолодания на экосистемы требуют оценок специалистов, особенно в случае глобальной связи региональных экосистем.

О возможностях фундаментальной науки в решении вопроса о глобальном климате говорилось уже много. Даже парниковый эффект пока рассчитывался в сильно упрощенном виде, так что серьезный анализ еще впереди. Глобальные климатические модели вызывают осторожный пессимизм. Дело в том, что математики довольно слабо представляют себе физику даже простых явлений, их больше интересует строгость в математическом смысле. Математическая физика также традиционно смещается в сторону математики и не спешит развивать методологию для таких сложных задач. Математические физики удовлетворены тем, что сильно упрощенная модель дает правдоподобные результаты. Более того, модели постоянно усложняются, что создает впечатление быстрого развития этого направления. Правда, иногда ученые признаются, что модель можно всегда «настроить» так, чтобы получить любой желаемый и удобный для политического манипулирования результат.

Фото предоставлены автором