Природа и общество. Модели катастроф

Рост атмосферного CO₂ с 1959 по 1999 годы, по измерениям на различных станциях: 1=Лоу Доум, Антарктика; 2=Мауна Лоа, Гавайи; 3=Барроу, Аляска; данные станции Лоу Доум представляют концентрации CO₂ в воздушных пузырьках ледяной коры; данные двух других станций представляют среднегодовые концентрации CO₂ в воздухе близ поверхности Земли, согласно инструментальным измерениям (по Etheridge et al., 1998; Keeling and Worf, 2004). Рисунок заимствован у С.М. Семенова, 2004.

(пилообразные колебания, видные на этом рисунке, соответствуют сезонным циклам растительности в северном полушарии; такие колебания незаметны в кумулятивных данных рисунка 7). Отчетливый экспоненциальный рост содержания CO₂, вытекающий из рисунка 8, полностью подтверждается данными всех других обсерваторий, собранными в отчете Всемирного центра данных о парниковых газах [5]. Результат всех этих измерений никем не оспаривается: содержание CO₂ ежегодно увеличивается на 0,4%, то есть в 1,004 раза. При этой геометрической прогрессии оно достигнет в 2100-ом году 500 миллионных объема воздуха, то есть станет вдвое больше доиндустриального уровня.

Можно сопоставить этот рост с другой экспонентой – ростом потребления углеродных топлив, которое до последнего времени удваивалось каждые десять лет. Промышленность ежегодно выпускает в атмосферу около 7 миллиардов тонн углерода, в составе углекислого газа. Около половины этого количества поглощается океанской водой, фотосинтезом растений (использующих солнечный свет для выработки углеводородов из воды и углекислого газа) и разными другими процессами, например, образованием торфа. Эта доля не возрастает, и нет оснований надеяться, что она будет возрастать, так что прямое продолжение нынешней тенденции, изображенной на рисунке 8, будет означать экспоненциальный рост.

Экспоненциальное возрастание очень редко встречается в природе: оно означает "положительную обратную связь", когда возрастание некоторого фактора ведет лишь к дальнейшему его возрастанию, причем тормозящие факторы не действуют. Так бывает при различных катастрофах, вроде лесных пожаров или лавин. Напротив, в человеческой деятельности положительная обратная связь встречается сплошь и рядом. Нет сомнения в том, что оба экспоненциальных процесса – рост потребления углеродных топлив и рост содержания углекислого газа – связаны между собой, и что первый из них обусловливает второй. Механизм этой связи объяснен выше.

Другим "парниковым газом" является метан, производимый, кроме естественных источников, угольными шахтами и газовыми скважинами. Количество метана в атмосфере с начала промышленной революции удвоилось, и теперь ежегодно возрастает на 1%. Молекула метана задерживает в 60 раз больше излучения Земли, чем молекула CO₂. Еще более эффективны в этом отношении молекулы окиси азота N₂O – в 270 раз больше молекул CO₂. Концентрация окиси азота в атмосфере возросла уже на 8%: она производится, в частности, при использовании удобрений и в различных промышленных процессах.

Особый класс атмосферных газов составляют галокарбонаты – хлорфторуглеродные соединения, не встречающиеся в природе и применяемые как фреоны в холодильниках и как составная часть пенопластов. Молекула этих соединений захватывает в тысячи раз больше инфракрасных лучей, чем молекула CO₂. Об этих соединениях мы еще скажем отдельно.

Повышение температуры и изменение климата. По поводу повышения температуры, предсказываемого любыми методами, следует сделать предварительное замечание. Как известно, средняя температура земной поверхности, вычисленная по данным измерений в некотором году, меняется от года к году по случайным причинам, хотя эти изменения и невелики. Ясно, что совпадение предсказаний с наблюдениями не может быть точнее этих колебаний. Для такого сравнения следует брать усредненные температуры за время, сглаживающее эти случайные изменения. Таким способом получается равновесная температура, которая и имеется в виду в законе Стефана – Больцмана, тогда как случайные изменения от года к году отражают лишь неравновесные переходные процессы. Например, вряд ли возможно точно предсказать, какая температура будет в 2050 году, но можно предсказать среднее значение годовых температур между 2040 и 2060 годом.

Далее, надо упомянуть осложнение, связанное с водяным паром. Дело в том, что повышение температуры вследствие "парникового" действия таких газов, как CO₂, вызывает усиленное испарение воды, а молекулы водяного пара производят добавочный парниковый эффект. Процессы испарения и образования облаков предсказать трудно, и связанное с ними повышение температуры можно предвидеть лишь с некоторой неточностью. Поэтому в предсказаниях повышения температуры гарантируется нижняя оценка: действительность может быть только хуже нее. Прежде всего, что уже известно о повышении температуры Земли?