Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд
Интенсивность, с которой Земля получает энергию от Солнца, – мы имеем в виду ее усредненное значение, не зависящее от времени суток, широты и сезона, – составляет 342 Вт/м2 (это чуть меньше, чем шесть 60-ваттных лампочек, расположенных над каждым квадратным метром Земли). Как мы уже говорили, 31 % этой энергии отражается обратно в космос, оставляя 236 Вт/м2 для нагрева планеты. Все парниковые газы, которые мы добавили в атмосферу за последние 250 лет, в конечном итоге увеличили это значение чуть более чем на 3 Вт/м2; иными словами, покровный эффект излишка CO2, CH4 и других газов эквивалентен увеличению энергии Солнца на 1,25 %. Может показаться, что 3 Вт/м2 – это не столь значительная величина, но если учесть всю поверхность Земли и суммировать итог за год, общая чистая энергия увеличится на 50 миллиардов триллионов джоулей (5 × 1022 Дж). Поскольку для повышения температуры атмосферы на 1 градус требуется всего лишь 0,004 % этой энергии, почему вокруг так до сих пор и не стало теплее?
Теплоемкость воды в четыре раза больше, чем у воздуха. Если выразиться иначе, то для того, чтобы поднять температуру литра воды на 1 градус, требуется в четыре раза больше энергии, чем для такого же повышения температуры литра воздуха. А океаны содержат намного больше молекул, чем атмосфера, – примерно в 1 миллион раз больше, поэтому земная вода способна поглощать в 4 миллиона раз больше энергии. Конечно, она не может сделать этого мгновенно, потому что только верхние слои океана подвергаются непосредственному воздействию дополнительного тепла, производимого молекулярными покровами. Но, по оценкам, более 93 % дополнительного тепла, которое Земля получила за последние пятьдесят лет, было поглощено океаном23. Более того, температура поверхности моря отражает это, поднявшись в среднем на 1,5 °C с 1900 года24. Вода способна вбирать огромную энергию, и это объясняет, почему температура воздуха выросла всего на «скромный» 1 °C.
Однако потепление океана не обходится без последствий. Во-первых, поскольку все эти молекулы воды движутся быстрее, они занимают больше места. За последнее столетие уровень моря на наших глазах поднялся на 25 сантиметров, и половина этого повышения вызвана тепловым расширением нагревающейся воды. Потепление воды ускоряет и таяние океанского льда, уменьшая отражательную способность планеты и вызывая дальнейшее повышение температуры.
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
