Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Более 99,97 % энергии, поступающей на поверхность Земли, приходит к нам от Солнца⁴. В главах 3 и 4 мы уже говорили о том, что именно температура на поверхности Солнца становится мерой того, насколько быстро там движутся атомы (в основном ионы), и скорость этих частиц определяет длину волны излучаемого ими света. Температура поверхности Солнца составляет 5780 К, отчего излучается желто-зеленый свет с длиной волны около 500 нанометров, который находится в самом центре октавы длин волн, доступных нашему зрению⁵.

Атмосфера Земли почти полностью прозрачна для волн такой длины, поэтому сквозь нее проходит почти вся эта энергия, за исключением той части, которую облака отражают обратно в космос. С дополнительной порцией, достигающей Земли, происходит то же самое – она уходит в космические пространства, отскакивая от ледяных щитов, пустынь и других блестящих поверхностей. Никакая часть этого отраженного света не вносит вклад в энергетический баланс нашей планеты. В общей сложности около 69 % энергии Солнца, падающей на верхние слои атмосферы, поглощается Землей, а оставшийся 31 % отражается в космос.

Если бы этим все и ограничилось, Земля становилась бы все жарче и жарче, как духовка без термостата. Чтобы поддерживать достаточно стабильную температуру, наша планета должна излучать обратно в космос ровно то же количество энергии, которое она поглощает, – и она это делает. Однако у излучаемой энергии – по сравнению с поглощаемой – есть одно невероятно важное отличие. Поскольку температура Земли (в среднем) составляет 16 °C = 289 К, наша планета излучает эту энергию на длинах волн значительно более высоких, чем те, на которых к ней приходит энергия от Солнца с температурой 5780 К. Поскольку Земля примерно в двадцать раз холоднее, пик исходящего света приходится на инфракрасную часть спектра, со средней длиной волны в двадцать раз выше, или около 10 000 нанометров. И атмосфера не прозрачна для всех этих длин волн. В частности, молекулы водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂), озона (O₃

), метана (CH₄), закиси Азота (N₂O) и других веществ, содержащихся в воздухе, поглощают часть исходящих длин волн и излучают их обратно к земной поверхности.

Опять же, если бы происходило только это, мы оказались бы в духовке. Но наличие слоя поглощающих газов, отбрасывающих обратно излишек энергии, приводит к тому, что поверхность нагревается (напомним, что энергию необходимо сохранять, она не может просто так взять и исчезнуть). Из-за этого молекулы океана и суши, в свою очередь, вибрируют немного более энергично, повышая температуру и сокращая длины излучаемых волн до тех пор, пока они не станут достаточно короткими, чтобы пройти сквозь преграду и уйти в космос. Это явление называется парниковым эффектом, поскольку стекло теплицы примерно так же пропускает солнечный свет, но оказывается частично непрозрачным для исходящего инфракрасного излучения и, таким образом, нагревает воздух внутри теплицы. Если бы не атмосферный покров, средняя температура Земли составляла бы около –5 °C, и планета, вероятно, представляла бы собой заледеневший мир, на котором жизнь вполне могла бы никогда не возникнуть. Парниковый эффект, как одеяло в промозглый вечер, – вещь хорошая.

Однако хорошего может быть слишком много. Если холодным вечером вы укроетесь пятью одеялами, то, скорее всего, через час проснетесь в поту – вы заблокировали все тепло, которое пытается покинуть ваше тело в форме инфракрасного излучения, и поскольку ваша пищеварительная система беспечно работает, высвобождая энергию из того мороженого, которое вы съели на десерт, ваша температура начинает повышаться.

Глобальное потепление, предсказанное Брокером, представляет собой именно такое явление. Углекислый газ выбрасывается в атмосферу, когда атомы Углерода в ископаемом топливе (давно вымершие растения, поглощавшие CO₂ из воздуха 100 с лишним миллионов лет назад, в эпоху динозавров) сгорают (иными словами, соединяются с O₂

) и снова выделяют углекислый газ, CO₂. А растущее количество молекул атмосферного CO₂ действует подобно лишнему одеялу. С начала промышленной революции, начавшейся в конце XVIII века, мы выбросили в атмосферу примерно 1000 миллиардов тонн CO₂. Поэтому, как и предсказывал Брокер, температура земной поверхности возрастает до уровня, которого не наблюдалось уже долгие тысячи лет.