Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид
Этот тип взаимодействия, при котором результат влияет на первоначальную причину, называется петлей обратной связи. В нашем случае петля положительна: нагревающаяся вода растапливает больше льда, уменьшая отражательную способность и увеличивая поглощенное тепло, что приводит к большему нагреву воды и большему таянию льда; так следствие усиливает причину. Несмотря на все смысловые оттенки слова «положительный», такая обратная связь обычно плоха; это приводит к ситуации побега (как в «Ученике чародея»). Иногда следствие ослабляет причину, создавая петлю отрицательной обратной связи: потепление океанов ведет к большему испарению воды, из-за чего образуется больше облаков, а они отражают больше солнечного света, поэтому поглощается меньше энергии и океаны становятся холоднее. Петли отрицательной обратной связи стабильны: если подтолкнуть систему в одном направлении, то возникнет сопротивление, и результат будет обратным. Одна из принципиальных трудностей моделирования климата Земли кроется именно в том, что многие части системы связаны десятками петель отрицательной и положительной обратной связи.
Повышение температуры океана оказывает немало других влияний. Например, большая часть морской жизни очень чувствительна к температуре, и потепление океанов влечет самые разные последствия: от обесцвечивания (то есть гибели) коралловых рифов до вынужденной миграции омаров Новой Англии в воды Канады; с 1996 по 2014 год вылов омаров в штате Нью-Йорк и на юге Новой Англии сократился на 97,7 %25. Колебания температуры океана приводят к перезагрузке экологического равновесия, затрагивая все живое – от планктона, основы пищевой цепи, до синих китов, крупнейших существ, когда-либо живших на Земле, – а кроме того, влияют на модели миграции и, как мы увидим в главе 13, радикально изменяют глобальный характер циркуляции воды и воздуха, в значительной степени меняя сам климат как таковой.
Погода и климат
Если говорить о влиянии людей на нашу атмосферу, то важно различать погоду и климат. Погода подразумевает изменения местных атмосферных условий в масштабах от минут до лет. В нее входят такие явления, как бури, теплые фронты, засухи и похолодания. Если вы задумываетесь о том, не захватить ли вам сегодня на прогулку зонтик или не стоит ли купить более теплую парку на предстоящую зиму, то вы принимаете решения, основываясь на погоде.
Климат предполагает глобальные изменения, происходящие во временных масштабах от десятилетий до тысячелетий и более. Ледниковые периоды, средневековый теплый период и нынешний сорокапятилетний период постоянно возрастающих температур – это изменения климата. Решения о покупке дома на берегу моря или сельскохозяйственных угодий в Канаде – это те решения, в основе которых должно лежать знание климатических тенденций (автор определенно избегает первого и подумывает о втором).
Связывать какой-либо конкретный ураган, снежную бурю или сезонную засуху непосредственно с переменой климата, как правило, неразумно. Долговременные изменения, безусловно, влияют на погодные условия, повышая вероятность экстремальной жары и дождей, но утверждение: «Как же жарко, черт побери, – наверное, из-за глобального потепления» не согласуется с точными определениями погоды и климата. К тому же «глобальное потепление» не означает конец холодных зим и метелей, несмотря на «снежок» сенатора Инхофа в зале сената26. Более того, глобальные климатические модели предсказывают, что по мере нагревания планеты погода в средних широтах будет становиться все более холодной и штормовой. Недавно мы смогли показать прямую связь между глобальным потеплением и зимней метелью в Европе, в чем нам очень помогли наши друзья-изотопы.
В конце февраля и начале марта 2018 года Европа страдала от сильных снежных бурь, нарушивших жизнь на всем континенте. Они достигли даже Рима, и город был укрыт белым одеялом – второй раз за тридцать пять лет. Геохимик Ханна Бейли из Университета Оулу в Финляндии и ее коллеги27 проанализировали изотопный состав снега и водяного пара в воздухе, сдуваемом с Баренцева моря к северу от Финляндии. В обоих случаях наблюдалось поразительное изменение соотношения 2H к 18O на 1,6 % за один день (19 февраля), за которым последовал рост до 3,1 % примерно через месяц. Поскольку у 18O есть два дополнительных нейтрона, а у 2H – только один,2H216O испаряется легче, чем 1H218O (хотя оба – медленнее, чем1H216O). Это позволило исследователям заключить, что по меньшей мере 88 % снегопадов в Европе произошло из-за испарившейся воды Баренцева моря, а само ее испарение стало возможным только из-за резкого сокращения морского ледяного покрова – это прямое следствие глобального потепления. Ученым удалось показать, что неуклонное сокращение морского ледяного покрова в регионе (потеря льда на 60 % за предыдущие сорок лет) непосредственно повлекло устойчивое увеличение максимума снегопадов в марте по всей Европе, и они предсказывают, что через пятьдесят лет, когда Баренцево море будет свободным ото льда, сильные зимние снегопады по всей Европе будут нормой – да, сенатор Инхоф, в условиях стабильно теплеющего мира.
Вулканы, солнечные бури и взрывные звезды
Историки-атомы, добытые в ледяных кернах, позволяют нам воссоздать историю климата Земли на протяжении миллиона лет. Они повествуют о естественных колебаниях глобальной температуры до 12 °C, вызванных изменениями орбиты Земли и усиленных переменами в составе атмосферы, а также о многочисленных петлях обратной связи, которыми сопровождаются эти явления. Более того, они раскрывают беспрецедентное и стремительное воздействие обширного геохимического эксперимента, который человеческая деятельность оказывает на атмосферу в наши дни, и позволяют нам проверить наши модели и понять, какое влияние этот эксперимент окажет на будущее планеты.
Снег – не единственное, что выпадает на ледяные шапки. Пыль, поднятая ураганами в пустыне, может оставаться в воздухе неделями и преодолевать тысячи километров, прежде чем «выпадет» из атмосферы (например, пыль из Сахары нередко достигает Флориды). Точно так же соль из океанских брызг во время штормов попадает в воздух и оседает на льду. Вулканы, способные извергнуться, могут выбросить более четверти триллиона тонн газов, камней, пепла и стеклянных осколков в стратосферу, на высоту в 30 километров над землей, где те дрейфуют по всему земному шару и выпадают через несколько лет. Кроме того, вулканы часто выделяют много сернистых газов (в первую очередь SO2), которые, достигая стратосферы, вступают в реакцию с водой с образованием H2SO4 (серной кислоты), а она, в свою очередь, конденсируется в блестящие капли, отражающие солнечный свет обратно в космос, прежде чем он сможет согреть Землю. В конце концов вещество оседает на землю, оставляя на льду слой серосодержащих соединений. (Под воздействием ультрафиолетового излучения, изобильного в нижних слоях стратосферы, над озоновым слоем, серная кислота окисляется и превращается в сульфат – SO4.) И, наконец, радиоактивные изотопы, возникшие под воздействием космических лучей, такие как 10Be и 14C, и даже более редкие изотопы, созданные взорвавшимися звездами, тоже оседают на лед, чтобы когда-нибудь поведать свои истории.
Поучительный пример обращения к ряду «посредников» для уточнения наших исторических реконструкций – работа М. Сигла и его соавторов28. Они использовали оценки летних температур по древесным кольцам, в которых измерялось соотношение 18O; отслеживали в ледяных кернах с обоих полюсов содержание сульфатов (SO4), рожденных в извержении вулканов; сравнивали концентрацию изотопа 10Be во льду и концентрацию 14C в деревьях – и оказалось, что с 1250 года нашей эры деревья свидетельствовали о снижении температуры по прошествии одного-двух лет с момента крупных извержений (мы проводили такие измерения непосредственно после извержения Пинатубо в 1991 году). Но для предшествующих 2000 лет между датой извержения (измеряемой по льду) и охлаждением Земли (измеряемому по деревьям) наличествовал семилетний интервал, а кроме того, наблюдалось семилетнее смещение между двумя выбросами 10Be в 775 и 987 годах нашей эры и аналогичным резким повышением содержания 14C в летописи годичных колец (заметное по всему миру в 782 и 994 годах нашей эры соответственно). Так мы получили убедительные доказательства того, что в ледяную хронологию закралась ошибка протяженностью в семь лет, причем случилось это примерно 800 лет тому назад.
