Тема 1. Жизнь в интерьере планета Земля

Лекция 1.4. Модель глобального потепления.

"Человечество сейчас проводит глобальный геофизический эксперимент, равных которому не было в прошлом и никогда не будет в будущем. В течение всего нескольких столетий мы возвращаем в атмосферу и океаны углерод органического происхождения, накопленный в осадочных породах за сотни миллионов лет".

Р. Ревел и Г. Сюс, Europhysics News, vol. 27 (1996) p.213

В настоящее время наиболее обсуждаемые проблемы из тематики нашей работы - это проблемы климата Земли и вопросы его влияния на условия существования людей на различных географических территориях. Выше упоминалось, что система обменных процессов Солнце - Земля - Космос является частью экосистемы Земли, которая самосогласованна и очень чувствительна к изменению параметров. То есть при изменении одного параметра, например, яркости Солнца, остальные параметры перестраиваются и приходят к новому равновесному состоянию. Другой пример такой перестройки - описанная выше ситуация «ядерной ночи», в которой пусковым параметром являются характеристики пропускания атмосферы. В этой главе попробуем сделать небольшой обзор работ, в которых анализируются причины вариаций различных входящих в систему параметров и варианты перестройки экосистемы Земли. То есть речь будет идти о текущем сравнительно кратковременном процессе, возможных вариантах выхода из нынешнего равновесного состояния.

Контроль основных интегральных параметров, входящих в задачу при моделировании интересующих нас процессов, является сложной технической и научной задачей. Средние по Земной атмосфере значения температур, давлений, концентраций СО₂ и других газов, вычисляются по данным измерений с использованием космических систем мониторинга. Получение достаточно подробных по пространству и времени срезов указанных параметров является сложной технической задачей, а их обработка требует больших вычислительных мощностей и специальных алгоритмов вычислений. Поэтому к публикуемым данным следует относиться достаточно критически. Еще более сложная задача - точное измерение средних значений температур, солености и скорости морских и океанских течений, так как в них возникают турбулентные вихри с различными масштабами и значительными перепадами параметров. Поэтому будем использовать данные из публикаций, которые нам кажутся наиболее надежными.

Современными средствами легче контролировать вторичные параметры, такие как толщина ледяного покрова, уровень воды Мирового океана, положение береговой линии, количество и интенсивность атмосферных неустойчивостей. Но долговременных срезов и по этим данным в публикациях немного.

По данным НАСА (National Aeronautics and Space Administration), средняя температура на поверхности Земли за период с 1860 по 1960 повысилась на 1.5%, за ХХ столетие на 0.6 градуса. В 1969 году она составляла 13.99 С, в 2000 году - 14.43С.

Последствия этого уже заметны. К примеру, в 1960-е годы толщина ледяного покрова в Северном Ледовитом океане достигала 2 м, в 2001 году толщина льда уменьшилась вдвое. За период с 1978 по 2002 год исчезло 9% арктических льдов. Согласно некоторым прогнозам, Северный Ледовитый океан в течение полувека может лишиться права называться "ледовитым", потому что лед полностью исчезнет. За последние десять лет Антарктида потеряла почти 3 тыс. кв. км. ледяных полей. В результате, уровень мирового океана в течение 20 века поднялся на 10-20 см. Геофизик Скотт Лютке (Scott Luthcke) и гляциолог Джей Цволли (Jay Zwally) с коллегами из Центра управления полетов НАСА им. Годдарда анализировали оценки масс льда на основании данных околоземных спутников Gravity Recovery и Climate Experiment (GRACE). Эти два спутника вращаются по полярной орбите на постоянном расстоянии друг от друга около 200 км. Они передают информацию об изменении силы тяжести при переходе от гор к равнинам. По результатам этих измерений, в 2003 - 2005 гг. ежегодно ледники Гренландии теряли примерно 101 гигатонну льда, каждый год теряется ледовой массы на 20 % больше, чем приходит со снегопадами.

По подсчетам Центра Экологических Наук Мэрилендского Университета (Center for Environmental Sciences), повышение уровня моря на 1 мм приводит к тому, что береговая линия отступает на 1.5 метра. В 21 веке вода может подняться уже на 1 м, что вполне повлечет исчезновение с карты мира территорий некоторых стран, например, Голландии, Пакистана и Израиля, затопление большей части Японии и некоторых других островных государств. Под воду могут уйти такие города, как Санкт-Петербург, Нью-Йорк и Вашингтон. В то время как одни участки суши рискуют оказаться на дне моря, другие будут страдать от жесточайшей засухи. Исчезновение грозит Азовскому и Аральскому морям и многим рекам. Также увеличится площадь пустынь. Одним из последствий этих процессов является рост числа стихийных бедствий. По данным Journal of Geophysical Research, в период с 1920 по 1970 годы в мире фиксировалось около 40 ураганов в год. Примерно с середины 1980-х годов число ураганов удвоилось.

Первые замеры количества углекислого газа в атмосфере были проведены в 1760 году - до начала индустриальной революции. В 2000 году мировая промышленность выбросила в атмосферу в 6.5 раз больше углекислого газа, чем в 1900 году. По сравнению с 1760 годом концентрация углекислоты в 2000 году увеличилась на треть. (08 Декабря 2004 Washington ProFile).

Как пример расчетов явлений, возникающих при парниковом эффекте, в этой главе будут приведены результаты размещенных и Интернете работ Лаборатории биофизики биоценозов Института Биофизики Клетки РАН (г. Пущино), выполненных под руководством А. Карнаухова. Их целью было определение равновесных параметров атмосферы Земли (температуры, концентрации СО₂ и др.) при условии различной интенсивности сжигания углеводородного топлива (уголь, нефть, газ и др.). Планировалось максимально подробно учесть различные процессы, происходящие в живой и неживой природе Земли и влияющие на баланс энергообменных процессов.

Один из важнейших вопросов в это задаче - определение соотношения величин техногенного выброса СО₂ и изъятия его из атмосферы биологическими механизмами.

Этими исследованиями показано, что техногенный выброс СО₂ в атмосферу в пересчете на углерод составляет около 1.8 миллиардов тонн в год. Общая продукция органических веществ в результате процессов фотосинтеза составляет около 43 млрд. т/год (БСЭ, углерод). Однако большая часть связанного углерода, благодаря процессам дыхания, гниения, пожарам и т. д., снова возвращается в атмосферу в виде СО₂. Разница между биогенным связыванием (фотосинтезом) СО₂ и выделением связанного в результате фотосинтеза СО₂ (дыхание, пожары и т.п.) невелика и составляет всего 45 млн. т/год, что почти в 50 раз меньше уровня техногенного выброса СО₂ в атмосферу. Таким образом был установлен факт значительной недостаточности биологических механизмов изъятия СО₂ из атмосферы по отношению к его техногенному выбросу. Это очень сильное утверждение, его следствие - завышенные величины роста среднепланетной температуры.

В анализируемых работах, по-видимому, впервые было введено понятие климатообразующих биоценозов (видов) и объединены проблемы биоразнообразия и устойчивости климата Земли. Это важнейшая фундаментальная проблема, так как биоразнообразие связано не только с климатом Земли, но также, в соответствии с законом Седова баланса информационного разнообразия на различных уровнях сложной системы, и с устойчивостью биоты в целом. К сожалению, исследования в этих направлениях идут недостаточно интенсивно.

Была проанализирована роль различных биоценозов в долговременном извлечении СО₂ из атмосферы. Вопреки достаточно распространенному мнению, что "лес - легкие планеты", оказалось, что роль биоценозов лесов в долговременном связывании СО₂ крайне мала, поскольку практически весь связанный благодаря фотосинтезу углерод возвращается в атмосферу в виде СО₂ вследствие процессов дыхания, гниения отмирающих листьев и древесины, а также лесных пожаров. Для долговременного извлечения СО₂ из атмосферы необходимо, чтобы значительная часть связанного в результате процессов фотосинтеза углерода оказывалась недоступна для процессов окисления. Такие условия существуют только в биоценозах болот и биоценозах тропических морей.

В биоценозе болота отмирающая растительность попадает в стоячую воду с крайне низким содержанием растворенного кислорода и накапливается там, практически не разлагаясь (частичное анаэробное разложение с образованием метана не меняет общей картины). Накапливающиеся в болотах частично разложившиеся остатки растительности образуют торфяные пласты, из которых впоследствии образуются месторождения бурого и каменного угля. В настоящее время общая площадь болот на Земле сократилась почти в два раза и продолжает сокращаться в результате их осушения. Соответственно уменьшается количество извлекаемого из атмосферы СО₂. Следует отметить, что зачастую осушение болот сопровождается вымиранием эндемических видов, приспособленных к существованию в определенных условиях конкретных болот, расположенных в конкретной климатической зоне. Процесс фактически необратим, тат как восстановление площади болот связано сегодня не только с трудностью изъятия земель из сельскохозяйственного оборота, но и невозможностью восстановления в ряде случаев полноценных биоценотических сообществ.

В биоценозах тропических морей изъятие СО₂ из океанической воды, куда он попадает из атмосферы, происходит несколько иным образом. Углекислый газ используется в качестве "строительного материала" при образовании известковых раковин и чехлов. Практически все карбонаты земной коры (известняки, доломиты, мрамор, мел и т.д.) имеют биогенное происхождение. Среди наиболее важных климатообразующих видов основными являются коралловые полипы и фораминиферовый планктон (всего около 80 видов). Следует отметить, что состояние климатообразующих биоценозов тропических морей изучено слабо. Имеются разрозненные сведения о гибели коралловых рифов. Систематические наблюдения состояния фораминиферового микропланктона не проводятся, хотя можно предположить, что в результате сброса гербицидов и пестицидов в Мировой океан одним из наиболее уязвимых компонентов биоценоза тропических морей окажется именно фораминиферовый планктон.

Для прогнозирования скорости изменения среднепланетарной температуры Земли важно иметь хотя бы грубую количественную оценку зависимости среднепланетарной температуры от концентрации СО₂ в атмосфере. К сожалению, существующие модели атмосферы, которые создавались преимущественно для задач метеорологии, не дают однозначного ответа на этот вопрос. В расчетах А.Карнаухова использовалась простая модель, в которой учитывались причинно - следственные связи, показанные на диаграмме. Модель давала удовлетворительные результаты при тестировании на условиях атмосферы Венеры. Для условий Земли изменение среднепланетарной температуры в соответствии с этой моделью должно было бы составить (за время инструментальных наблюдений концентрации СО₂) около 80С. По различным данным, как уже отмечено выше, реально наблюдаемое повышение среднепланетарной температуры 1-20. Указываются следующие две причины расхождений:

«Во-первых, при оценке величины парникового эффекта целью наших расчетов было получение предельного стационарного значения температуры Земли. Поскольку рост концентрации СО₂ в атмосфере происходит сравнительно быстро, реально среднепланетарная температура Земли не успевает достичь своего стационарного значения. Отметим здесь, прежде всего, роль Мирового океана, как гигантского теплового буфера, стабилизирующего температуру Земли. Кстати, на полюсах, где влияние Мирового океана на формирование температурного режима не столь значительно, происходят более существенные колебания среднегодовой температуры.

Во-вторых, наряду с парниковым эффектом, имеются и другие механизмы, влияющие на формирование среднепланетарной температуры Земли. Одним из таких механизмов является накопление аэрозольных частиц в верхних слоях атмосферы. Именно этот механизм лежит в основе широко известной модели "ядерной зимы" (Моисеев и другие), когда в результате обмена ядерными ударами в атмосферу попадает значительное количество аэрозолей. Считается, что падение среднепланетарной температуры Земли в результате наступления "ядерной зимы" может составить 400С и более.

Конечно, поступление в настоящее время аэрозольных частиц в атмосферу Земли происходит в меньших количествах, чем при обмене ядерными ударами. Вместе с тем, масштабы такого аэрозольного загрязнения атмосферы (с учетом эффектов накопления) сравнимы с разовыми уровнями поступления аэрозольных частиц во время ядерной войны».

О причинах и уровне накопления аэрозолей говорится следующее; «Среди источников аэрозольных частиц особо следует выделить проведение наземных ядерных испытаний, проводившихся в период с 1945 по 1965 год и быстрое развитие реактивной гражданской авиации в период до 1970 года (нефтяной кризис), поскольку данные источники аэрозольного загрязнения атмосферы приводят к непосредственному поступлению сажевых аэрозольных частиц в верхние слои атмосферы (стратосферу). Возможно, именно эти факторы привели к относительной стабилизации (и даже к снижению в приполярных областях) среднепланетарной температуры в период с 40-х по 70-е годы 20-го века.

Следует подчеркнуть, что создание строгой количественной модели изменения среднепланетарной температуры Земли, учитывающей наряду с ростом концентрации СО₂ в атмосфере аэрозольное загрязнение ее верхних слоев, а также и другие факторы, такие, как инерционность изменения температурного режима Мирового океана, представляет собой весьма сложную задачу, для решения которой требуется объединение усилий специалистов самых различных областей научного знания».

Для расчетов самых общих прогнозов с использованием разработанной модели с целью определения хотя бы в самом грубом приближении антропогенного фактора на баланс энергообменных процессов Земли нужно знать объемы техногенных выбросов СО₂. А этот параметр однозначно связан с количеством ежегодно добываемых энергоресурсов. По данным Г.Н. Алексеева мировая ежегодная добыча энергоресурсов увели­чилась за 1860-1980 гг. с 4.56 до 89 ? 98 • 109 МВт • час, то есть удвоилась примерно за 27,5 лет. Самая грубая оценка - сравнение с падающей на поверхность Земли Солнечной энергией. Оценка Л.М Гиндилиса: "Обычно считается, что предельное значение составляет 1% от полной энергии, поступающей на Землю от Солнца. Более осторожная оценка составляет 0.1%. Соответствующие предельные значения производимой энергии: Е( = 10" кВт и Е^ = Ю12 кВт. Назовем их первым и вторым тепловым пределом. Первый предел при темпах роста 3% в год будет достигнут через 77 лет, а второй - через 153 года". Сравним эту оценку с оценкой А.Карнаухова.

«На основе имеющихся данных о ежегодном техногенном поступлении СО₂ в атмосферу построена модель изменения среднепланетарной температуры Земли для двух сценариев развития мировой энергетики. Первый сценарий - "оптимистический", предполагает, что техногенный выброс СО₂ в атмосферу не будет увеличиваться со временем, а будет зафиксирован на современном уровне. Второй сценарий - "реалистический", предполагает, что поступление СО₂ в атмосферу будет расти с той же скоростью, что и в настоящее время (техногенный выброс СО₂ удваивается каждые 50 лет). "Пессимистический" сценарий, предполагающий ускорение техногенного выброса СО₂, нами не рассматривался. На основе рассмотренных сценариев роста техногенного выброса СО2 были получены следующие оценки времени существования человеческой цивилизации:

 Таблица 1.

     Отметим, что учет тепловой инерции Мирового океана и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы, в силу соотношения характерных времен этих процессов, не способен принципиально изменить приведенные оценки, хотя и несколько отдаляет времена катастрофических изменений климата Земли».

Из приведенной таблицы видно, «…что природные (неантропогенные) источники поступления СО₂ в атмосферу могут существенно ускорить рост среднепланетарной температуры Земли. Среди таких источников особо следует выделить следующие:

1.          Повышение температуры вод Мирового океана вслед за изменением среднепланетарной температуры Земли будет приводить к понижению растворимости углекислого газа (СО₂) в океанической воде. Излишек углекислого газа будет поступать в атмосферу. Поскольку в Мировом океане содержится примерно в 60 раз больше СО₂ , чем в современной атмосфере, то потенциально этот источник СО₂ представляет собой большую опасность.

2.          Еще большее количество связанного СО₂ содержится в земной коре (почти в 50 000 раз больше, чем в атмосфере Земли и примерно столько же, сколько в атмосфере Венеры) в виде карбонатосодержащих пород (известняки, доломиты, мрамор, мел и т. д.). Разложение карбонатов, как в результате смещения температурных зон из-за повышения температуры поверхности Земли, так и в результате воздействия человека на земную кору (подземные испытания ядерного оружия, бурение скважин и т. д.) может привести к выделению огромных количеств СО₂ в атмосферу.

3.          Другим потенциально опасным природным источником СО₂ является метан-гидратные залежи на дне Мирового океана, представляющие собой кристаллические комплексы молекул метана и воды. Такие комплексы устойчивы только при высоком давлении и низких температурах. Повышение температуры придонных вод Мирового океана может привести к потере устойчивости метан-гидратных комплексов, их разложению и поступлению в атмосферу значительных количеств метана и СО₂ (в результате окисления метана метан - окисляющими бактериями и непосредственного окисления в верхних слоях атмосферы).

Общим свойством вышеперечисленных потенциальных природных источников СО₂ является наличие сильной положительной обратной связи "температура - концентрация СО₂", что может привести к лавинообразному росту концентрации СО₂ в атмосфере даже при условии полного отказа от сжигания углеродсодержащего минерального топлива (уголь, нефть, газ). В сочетании с разрушением природных биосистем, участвующих в извлечении СО₂ из атмосферы, это может привести к необратимому изменению химического состава атмосферы и климата Земли. В этом случае физико-химические параметры на поверхности Земли будут близки к параметрам, существующим в настоящий момент на поверхности Венеры».