Что принесет Великий конвейер? Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Что принесет

Великий Конвейер?

слово «климат» происходит от греческого «наклон»: древние греки понимали, что погодные условия зависят от наклона солнечных лучей в полдень. данные о климате прошлого получают путем исследования морских осадков: их отложения формируются при отмирании живых организмов, а распространенность отдельных видов заметно меняется с температурой. подробную историю климата за последний миллион лет удалось выяснить путем бурения антарктического льда. Его возраст определялся простым

подсчетом годичных слоев.

Алексей Бялко,

первый заместитель главного редактора журнала «Природа», сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, доктор физико-математических наук

При этом обнаружился отчасти неожиданный, но непреложный факт: температура земной поверхности в прошлом менялась синхронно, она повышалась и понижалась одновременно по всей планете. Потепления, или межледниковья, регулярно чередовались с оледенениями. Сербский астроном Милутин Миланкович заметил связь вариаций климата с изменчивостью земной орбиты. Эксцентриситет (вытянутость орбиты) под действием возмущений других планет варьируется с периодом 100 тыс. лет. Кроме того, земная ось под действием Луны прецессирует (поворачивается в пространстве) так, что ее положение относительно точки перигелия меняется с периодом в 40 тыс. лет. На основе этих расчетов Миланкович построил первую теорию климата. Обе периодичности действительно отражаются в изменениях средней температуры. В начале XX в., в доиндустриальную эпоху, она была равна 14 оС. Под температурой Т будет иметься в виду ее отклонение от этого начального уровня. Но надежна ли эта величина? Надо рассмотреть функцию распределения температуры. Если она близка к нормальному закону с одним максимумом, то все в порядке, если же нет, то среднее значение действительно мало что означает. У Земли разность дневных и ночных температур невелика, а вращение достаточно быстрое. Близок к нормальному закону не

только разброс температур в каждом месте, но и распределение земных температур по широтам. В свою очередь, средняя температура земной поверхности почти совпадает со средней температурой поверхности океана. Это вызвано обширностью океана по сравнению с сушей и тем, что теплоемкость воды значительно выше теплоемкости горных пород и почвы.

Поверхностные воды океана прогреваются солнечными лучами и перемешиванием только до глубин, несколько превышающих 100 м; ниже этого слоя температура быстро понижается. Средняя температура поверхности — около 14 0С, в глубинах океана существенно холоднее — всего 3 0С. Верхний слой теплее глубин и атмосферы по той причине, что именно он поглощает наибольшую часть солнечной энергии. конвекция воздуха отводит ее вверх. На границе тропосферы, на высотах 8—12 км, она излучается в космос в микроволновой области спектра, соответствующей излучению при температуре минус 18 0С. Азот, кислород и аргон прозрачны в области этих частот, поэтому высоты излучения определяются малыми концентрациями и спектрами поглощения парниковых газов: это СО2, СН4 и пары воды.

Теплообмен с глубинными водами океана также происходит благодаря термохалинным течениям. Плотность вод всегда растет с глубиной и зависит не только от температуры, но и от солености. Глобальная система течений образует так называемый Великий конвейер. он начинается погружением холодных соленых вод вблизи Гренландии, течет на юг в глубинах Атлантики, огибает Антарктиду, выходит на поверхность частично вблизи Индии, но в основном на севере Тихого океана. По времени весь этот путь занимает 1,5—2 тыс. лет. Возраст вод измеряется по убывающей концентрации изотопа 14С, период полураспада которого равен 5700 лет. Течение Конвейера медленное, но погружение в него холодных вод отнюдь не стационарно: оно имеет как сезонные колебания, так и месячные пульсации, вызываемые лунными приливами. Последние 6 тыс. лет климат планеты отличался стабильностью, по-видимому, все это время тепловой баланс Конвейера был близок к нулю. однако в ледниковые периоды толща плавающих льдов Северной Атлантики препятствовала охлаждению вод и тем самым значительно понижала интенсивность Конвейера. Связь климата земли с глубинными океаническими течениями несомненна.

ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Благодаря исследованиям антарктических льдов появилась надежная информация о климате последних 800 тыс. лет. На рис. 1 видно, что взаимозависимость трех переменных (Т [С02], [СН4]) между собой весьма значительна (химической формулой в квадратных скобках обозначается атмосферная концентрация газа). Восемь климатических циклов, продолжительностью примерно по 100 тыс. лет каждый, в целом подобны друг другу — вначале они стремительно растут, имеют острые максимумы, затем следует пульсирующее падение, как правило, заканчивающееся низким застоем для температуры и концентрации диоксида углерода. Средняя температура Антарктиды оказалась на 5,1 °С ниже современных показателей, а максимальная — на 4 °С выше.

Сравнение с нынешней концентрацией С02 показывает (рис. 2), что сегодня температура должна была бы оказаться на 7—10 оС выше наблюдаемой, фактически же она выросла только на 1 оС. Причина расхождения в том, что поверхностные воды океана (а тем более глубинные) еще «не знают», что за последнюю сотню лет мы сожгли много угля, нефти, газа, испортили атмосферу планеты и тем вывели климат из области устойчивости.

График регрессии дает основание полагать, что существует область климатического равновесия, в которую постоянно возвращается пара переменных: концентрация С02 и температура. Естественно попытаться использовать в расчетах данные мил-лионолетнего эксперимента, поставленного самой природой. область устойчивости климата оказалась довольно вытянутой. Поэтому можно предполагать, что существует некоторая кривая равновесия Г ([С02]е), размываемая другими, менее существенными климатическими параметрами, например активностью Солнца. Данные антарктического бурения позволяют найти линейное приближение этой кривой равновесия. Собственно, это и есть линия регрессии:

Т = 0.098[С0 ] — 27.1 °С; [СО] = 10.2(Т + 27.1 °С).

ед 1 т е^ 1 2 ед 4 ед '

Здесь равновесная концентрация СО2 выражена в ррт, частях на миллион. 2

Допустим, что климатическое равновесие существует. Тогда его возмущения, вызванные любыми причинами, должны ре-лаксировать — приближаться к равновесному состоянию с некоторыми характерными временами. Иначе говоря, производная отклонения по времени должна быть пропорциональна отрицательной величине самого отклонения.

Проверим эту гипотезу прежде всего на примере поглощения океаном избытка атмосферного С02. С достаточной точностью известно, сколько угля, нефти и газа мировая энергетика ежегодно добывала и потребляла с начала XX в. Эти данные нетрудно перевести в потенциальный (то есть тот, который был бы при отсутствии поглощения) прирост концентрации диоксида углерода Р(1). Следствия сжигания угля, нефти и газа показаны на левой стороне рис. 3 вместе с суммарными выбросами. Атмосферная концентрация С02 начиная с 1958 г.

800 700

.о 600

.§500 о 400

200 400

время, тыс. лет назад

600

800

Рис. 1. Результаты бурения антарктического льда — история климата за последние 800 тыс. лет. Красная линия — температура, отсчитанная от современной; синяя — концентрация СО. в частях на миллион (ррт); зеленая — концентрация СН4 в частях на миллиард (ррЬ)

180

200 220 260 280 320 360 400

[СО.], ррт

Рис. 2. Вариации температуры за 800 тыс. лет в зависимости от концентрации СО2 по данным бурения антарктического льда. Красные и синие точки — максимумы и минимумы температуры

измерялась на гавайском острове Мауна Лоа. Вариации средней температуры Т за это время тоже известны. Поэтому в релаксационном уравнении

ад [СО21 (Т) — [СО2]

л

Та^т

■ ЯМ

известны все функции времени. осталось найти единственный численный параметр — время релаксации атмосферы по отношению к растворению газа. Его оптимальные значения оказались около 26,3 лет. Решения этого дифференциального уравнения достаточно хорошо описывают наблюдаемые

0

№4(98) Апрель 2011 НАУКА И ИННОВАЦИИ 11

данные (рис. 4). Аналогично пишется и релаксационное уравнения для температуры. Его решения сравниваются с наблюдениями на рис. 5.

Можно построить два сценария энергетики будущего и сравнить их последствия. Первый, инерционный сценарий, исходит из предположения, что рост энергопотребления останется почти постоянным. Второй, радикальный, исходит из постепенного отказа от использования ископаемых топлив. Оба сценария и соответствующие решения релаксационных уравнений представлены на рис. 3, 4 и 5 в экстраполяции до 2100 г. Главный вывод: все действия по «исправлению» атмосферы начинают сказываться на средней температуре планеты с заметным запозданием. Так, при радикальном сценарии максимум выбросов СО2 приходится на 2030 г., но максимум его концентрации — только на 2042 г., температура же выйдет на некоторый предел (возможно, максимум) только к концу текущего столетия. Есть и более отдаленные последствия. Рост температуры вызовет ускоренное таяние ледникового покрова Гренландии и Антарктиды, а значит, и ускоренное повышение уровня Мирового океана. Приостановить его в XXI в. никак не удастся. Таким образом, результаты даже радикального сценария не слишком утешительны: рост температуры на 2 °С приведет к существенным изменениям образа жизни. Инерционный же сценарий просто смертелен для цивилизации: к концу текущего века сгорят леса и торфяники умеренных широт, в привычных условиях жизнь окажется возможной только в горных и полярных областях.

Напряжение мировой экономики при перестройке энергетики, конечно, будет сопряжено с колоссальными расходами, но они не должны рассматриваться как чрезмерные. иного выхода, видимо, просто нет. Известны, впрочем, расчеты, что доступные запасы нефти и угля сами закончатся к середине века, тогда и выбросы СО2 сократятся естественным путем. Это утверждение похоже на самообман. Потенциальные запасы соединений углерода в земных недрах чрезвычайно велики. В конечном счете кислород атмосферы — результат фотосинтеза, следствие которого — углерод, который захоронен в недрах планеты. оценки только подводных запасов метанги-драта, которые вообще пока не используются, превосходят все ближайшие потребности мировой экономики. Идея освоения ископаемых топлив до их исчерпания — это попытка отложить неприятные экономические решения вплоть до коллапса цивилизации.

Какие неприятности потепление климата сулит Беларуси? Ближайшая опасность связана с ее равнинным положением. Усиление испарения океана уже приводит к росту осадков. В дальнейшем угроза наводнений будет только возрастать. А к середине текущего столетия белорусам и россиянам придется решать проблемы, связанные с демографическим давлением народов тропических стран.

40 30 20

|0

£ 5

0

1 2

Д 1 сТ 0,5

0,2

0,1

■ сумма (инерция) сумма (будущее) сумма (прошлое)

- уголь

- нефть

1960 1980

2000

2020 2040 2060 2080 годы

2100

Рис. 3. Потенциальный прирост концентрации С02 как суммарный результат сжигания угля, нефти и газа. В инерционном сценарии энергетики фактические данные до 2009 г. экстраполируются в будущее. В радикальном сценарии предполагается постепенное снижение использования ископаемых топлив

1960

1980

2000

2020 2040

годы

2060

2080

2100

Рис. 4. Ежемесячные данные концентрации С02, измеренные на Гавайях, и результаты интегрирования уравнения релаксаци2и при двух значениях времени релаксации в инерционном и радикальном сценариях энергетики будущего

Л

-Инерционные прогнозы с тя=650 и 750 лет

Радикальные прогнозы с тя=650 и 750 лет Ежегодные средние температуры

годы 1960 1980 2000 2020

2040 2060 2080

2100

500

450

400

350

4

Рис. 5. Ежемесячные и ежегодные изменения глобальной средней температуры по метеоданным и результаты интегрирования температурного уравнения при разных значениях времени релаксации в двух сценариях энергетики будущего