Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Когда Земля была моложе, скажем, 2,5 млрд лет назад, Солнце светило не так ярко: от него поступало на 10 % меньше энергии. Это означает, что температура могла быть еще ниже, примерно -28 °C. Но из геологических данных известно, что Земля большую часть своей истории была свободна от льда. Планете требовалось какое-то «одеяло», чтобы поднять температуру хотя бы чуть выше точки замерзания. Разумеется, это было газовое одеяло толщиной несколько километров, состоящее из парниковых газов — воды, двуокиси углерода и метана. Содержание каждого из этих газов менялось со временем.

Теплосберегающее воздействие парниковых газов было очень важно для жизни на Земле как в древние времена, так и сейчас. Парниковый эффект возникает следующим образом. Солнечное из-лучение нагревает Землю. Нагретая Земля сама начинает излучать, но в основном в длинноволновой инфракрасном диапазоне (а еще и некоторая доля солнечного инфракрасного излучения отражается от поверхности Земли). Часть испущенной в инфракрасном диапазоне энергии поглощается парниковыми газами, которые затем переизлучают ее во всех направлениях. Часть этого излучения уходит в космос, а другая часть нагревает нижние слои атмосферы. Этот нагрев и есть парниковый эффект. Сейчас он составляет около 35 °C, что совсем не мало. Половина эффекта возникает из-за водяного пара (но не облаков!), примерно одна пятая из-за двуокиси углерода, а остальное в основном обязано метану и озону, а также и некоторыми другими малым компонентам парникового газа. Нужно отметить, что молекулярный кислород, молекулярный азот и водород не являются парниковыми газами, так как не поглощают инфракрасное излучение.

Наша планета сейчас пребывает в состоянии равновесия. В эпохи, когда количество парниковых газов уменьшалось, Земля сползала в состояние оледенения, из которого ее выводила вулканическая активность. Но сложись все по-другому, мы бы могли оказаться перед лицом серьезной угрозы: парниковый эффект нагревания мог бы пойти вразнос.

Изменение температуры на пару градусов в любую сторону при наличии парникового эффекта может иметь серьезные последствия. Например, существенное уменьшение содержания водяного пара в атмосфере может привести к быстрому понижению температуры. А внезапное таяние метановых клатратов в глубинах морей вызовет рост содержания метана в атмосфере, что усилит парниковый эффект. Сейчас наибольшее внимание уделяется прогнозам глобального потепления из-за роста концентрации СO ₂. Среднее содержание СO ₂увеличилось за 20 лет примерно на 30 ppm (parts per million = миллионных частей) и сейчас достигло уровня около 390 ppm. Такой рост С0 ₂считается очень серьезным. Простой расчет поможет нам оценить его влияние на среднюю температуру. Предполагая, что пятая часть парникового эффекта обусловлена СO ₂, мы можем оценить его вклад примерно в 35 °C/5 — 7 °C. Через 20 лет относительное увеличение СO ₂составит около 8 %. Перемножив эти числа, получим, что рост содержания двуокиси углерода в ближайшие 20 лет увеличит парниковый эффект на 0,6°! Это дает представление о серьезности проблемы. Увеличение температуры на 3° привело бы к драматическим последствиям для всей природы, включая род человеческий, поскольку изменились бы источники чистой воды, повысился бы уровень океана и начались бы проблемы с урожайностью.

Наш расчет упрощен и не учитывает многие явления, существующие в реальной природе и обеспечивающие механизмы обратной связи, такие как изменение облачности, величины капель воды, аэрозольных составляющих, а также взаимодействие рассеянной ветром морской воды с атмосферой и взаимные связи разных составляющих атмосферы, возникающие на разных временных интервалах. Не говоря уже о некоторых особых связях, таких как взаимодействие между атмосферой, Антарктическим и Гренландским ледяными щитами и приповерхностными и глубоководными океанскими течениями. Нужно также учитывать и медленное изменение светимости Солнца. Многие эти факторы уже включены в программы моделирования климата в пределах возможностей компьютеров, но даже наша грубая оценка дает значение, довольно близкое к наблюдаемому. Модели прогноза климата очень сложны и в настоящее время могут, в лучшем случае, давать более или менее правдоподобные оценки, но в целом все они сходятся в том, что температура возрастет на 1,5–4,5 °C за ближайшее столетие.

Глава 30 Возникновение и эволюция жизни