Лилия Алексеева - Небесные сполохи и земные заботы
И все–таки с фреоном в атмосфере еще сравнительно просто: он весь, как говорят, антропогенного происхождения, то есть весь выпущен человеком. Если остановиться то, по крайней мере, можно быть уверенным, что в атмосфере его больше не станет.
Хуже с углекислым газом СO2, который совершает сложный кругооборот: идет взаимообмен этим газом между Мировым океаном и атмосферой, из атмосферы его забирают зеленые растения, от них — животные; дыхание растений и животных, а также разложение их останков возвращает его атмосфере. Часть этого газа выбывает из кругооборота ввиду того, что зеленые растения служат исходным материалом для образования ископаемых — торфа, угля и нефти. Все звенья этой цепи действуют как единый сложный, хорошо отлаженный механизм, человечество обязано ему своим существованием на планете.
Современный человек вмешивается в работу этого механизма весьма решительно: обеспечивая себя энергией, сжигает горючие полезные ископаемые растительного происхождения (то есть снова выпускает в атмосферу выбывший из кругооборота углекислый газ), сводит леса, загрязняет океан, с лихостью берется за «преобразование природы». И вмешательство это — пока в сущности слепое, потому что по–настоящему исследовать этот кругооборот люди еще не успели. Общей тревогой нашего времени должно быть резкое несоответствие между очень большими возможностями непреднамеренного или преднамеренного воздействия на природу и еще крайне ограниченными способностями прогнозировать результаты такого воздействия.
Специалисты по атмосфере сейчас много работают, чтобы выявить климатические изменения, которые могут последовать за увеличением содержания СO2 в воздухе. По отношению к поверхности Земли и приземному воздушному слою атмосферный углекислый газ действует как стекло в теплице: благодаря его присутствию повышается температура нижнего слоя атмосферы — возникает так называемый «парниковый эффект». В 1939 году Дж. Каллендер высказал предположение, что причина потепления на Земле может быть антропогенной — за счет повышения концентрации СO2 в атмосфере при сжигании ископаемого топлива. Долгое время это предположение не вызывало интереса, поскольку считалось, что почти весь углекислый газ, выбрасываемый с промышленными отходами, поглощается водами океана и тем самым выводится из атмосферы. Наблюдательных же данных было слишком мало, чтобы составить представление об общем количестве СO2 в земной атмосфере. Но первые прямые измерения, проведенные с достаточной точностью, которые начал в 1958 году в США Килинг, позволили экспериментально подтвердить гипотезу о том, что «обогащение» земной атмосферы двуокисью углерода — это прямое следствие хозяйственной деятельности человека. Сжигание ископаемого топлива и расчистка земель привели за последние 110 лет к тому, что СO2 в атмосфере стало больше на 13 процентов. Сформировалось мнение, согласно которому загрязнение земной атмосферы углекислым газом может вызвать серьезные изменения климата.
Двуокись углерода не является единственной «парниковой молекулой» в атмосфере. Нельзя пренебрегать присутствием других малых компонент атмосферного воздуха — водой, окисью азота, метаном, озоном, фтористым углеродом, теми же фреонами. Хотя влияние увеличенного (и увеличивающегося) содержания окиси азота, метана или озона, взятых порознь, и невелико, но совместный эффект составляет примерно 50 процентов ртепляющего воздействия, обусловленного концентрацией СO2.
Многое надо учитывать и рассматривать. И тщательность изучения требуется очень большая: изменение средней планетарной температуры более, чем на 0,1 °C уже существенно, если продержится долгое время; с изменением же этой температуры на 1–2 °C связывают крупнейшие климатические перестройки. К сожалению, для современной науки такие требования пока непосильны. Нет удовлетворительной теории климата, а значит, нет полного понимания, нельзя построить достаточно достоверного прогноза — все это мы уже обсуждали в главах 9, 12, 13. Как пишут в своей книге «История климата» А. С. Монин и Ю. А. Шишков, «в настоящее время климатологи лишь спорят друг с другом, например, о том, чем было вызвано климатическое потепление первой половины 20‑го столетия; происходит ли в 70‑х годах резкое похолодание или наоборот, начинается резкое потепление; что приводит к увеличению повторяемости засух — климатические потепления или, наоборот, климатические похолодания, и т. д. Это неудивительно, поскольку климатология лишь в середине текущего столетия начала переходить от стадии описания (да и то затрагивавшего главным образом состояния только приземного слоя атмосферы, т. е. сравнительно небольшой части «климатической системы») к стадии объяснения».
Однако сейчас положение стало быстро меняться к лучшему. Арсенал средств наблюдения пополнили океанографические спутники. С борта спутника можно измерить расстояние до воды и затем составить топографическую карту поверхности океана. Такая карта позволяет найти (в определенном приближении) скорость океанских течений. С помощью спутниковых измерений можно построить карту относительной температуры океанских вод. По такой карте тоже можно следить за течениями, можно также выявить циклонические (по холодному ядру) и антициклонические (по теплому ядру) «мезомасштабные» вихри — есть в океане такие аналоги атмосферных циклонов и антициклонов. Со спутника можно следить за шероховатостью поверхности океана, что позволяет судить о величине и направлении ветра над океаном. Нельзя сказать, чтобы данных было с избытком: океан велик характеристики же хотелось бы иметь детальные и разнообразные, но это все–таки грандиознейший шаг вперед по сравнению с недавним временем, когда об изменчивых океанских течениях приходилось судить на основании данных о сносе судов, бутылочной почты (!) и замеров с помощью немногочисленных заякоренных буйковых станций.
Наметился успех в понимании взаимодействия океан — атмосфера. Академику Г. И. Марчуку и его сотрудникам удалось теоретически установить, что аномалии температуры воздуха сильно зависят от процессов, происходящих в некоторых районах Мирового океана, где в атмосферу из океана переходит огромное количество тепла. Эти районы получили название энергетически активных зон океана. Реальное существование этих зон было подтверждено данными глобальных наблюдений теплового баланса, а также замеченными ранее связями между состоянием океана и последующей погодой.
Когда говоришь о физическом изучении погоды и климата, то обязательно приходится отмечать сложность задачи, взаимосвязанность явлений, которые определяют состояние атмосферы (см. главы 9 и 13). Но нельзя ли разбить сложную задачу на какие–то более простые и последовательно решить их? Как «разобрать на части» механизм, обеспечивающий погоду, чтобы по отдельности «прощупать» его основные узлы? В таких случаях физики обычно прибегают к лабораторному моделированию. (Сейчас еще проводят математическое моделирование — «проигрывают» на электронно–вычислительных машинах различные более или менее упрощенные варианты решения интересующей задачи; путем такого моделирования и были, кстати, получены оценки, которые мы использовали при обсуждении эффектов СO2 и фреонов.) Однако построить установку, даже весьма упрощенно моделирующую атмосферу, очень трудно. Плотность «газа» в такой искусственной атмосфере должна нарастать к «поверхности Земли». В настоящей атмосфере нарастание обусловлено силой тяжести, но тяготение пока неподвластно человеку, и в лабораторных условиях манипулировать им мы не можем. Из чего–то надо еще сделать искусственные океаны, обменивающиеся с «атмосферой» влагой, теплом и движением; все это должно вращаться, иначе океанские и воздушные течения окажутся непохожими на реальные (о роли вращения шла речь в гл.13). При этом остается еще не отраженной роль небольших, но коварных примесей, о которых тоже шла речь выше.
Опробовать отдельные узлы в наших представлениях об атмосфере должны помочь космические корабли. Они уже начали поставлять данные об атмосферах других планет. Эти атмосферы можно рассматривать как своеобразные модели земной.
Например, нужно исследователю абстрагироваться от эффектов вращения — он может обратиться к материалам по Венере, которую систематически осваивают наши межпланетные космические станции. Эта планета вращается в 225 раз медленнее, чем Земля. Кроме того, на ней нет морей, осложняющих течение атмосферных процессов. У Венеры поэтому должна быть самая простая «кухня погоды». Эту «кухню» удобно использовать как эталон, с которым сравниваются более сложные случаи.
Если ученого интересует возможность потепления из–за избыточного содержания СO2 в атмосфере, он будет сопоставлять свои материалы и выводы с данными по Венере и Марсу. Углекислый газ содержится в атмосферах обеих планет, но на Марсе атмосферный слой тонкий, парниковый эффект проявляет себя слабо, и Марс остается холодной планетой; на Венере же с ее мощной атмосферой, на 97 процентов состоящей из углекислого газа, температура на поверхности планеты — как полагают, из–за действия парникового эффекта — примерно такая же как, в топке паровозного котла — свыше 400 °C. Этот «ад» на Венере — еще одно предупреждение человечеству по поводу неосмотрительного обращения с углекислым газом на своей планете. Когда речь идет о том, что фреоны в атмосфере способствуют разрушению озонного слоя, сопоставляют атмосферы Земли и Марса. Озонный слой на Марсе имеет клочковатую структуру, хотелось бы выяснить, за какие климатические особенности Марса отвечают «прорехи» в его озонном слое. Известно, что на Марсе есть циклоны и антициклоны. Было бы интересно подробнее проследить за их развитием и движением, которые там не осложнены присутствием морей.
