Глобальное потепление в России. Что делать и кто виноват?
Май на Урале выдался довольно жарким. Конкретно в моем родном Екатеринбурге был поставлен температурный рекорд за более чем 100 лет: + 34 градуса 24 мая. В связи с этим хочется сказать пару слов о глобальном потеплении и том, как к нему относятся и что делают в России для борьбы с ним. Конечно, связывать температуру за окном и климат не корректно. Хотя обыватели обычно так и делают. И я прекрасно помню как этой же зимой, во время аномальных морозов, многие шутили как раз в духе «ха-ха, ну и где ваше глобальное потепление?». Ну так вот оно. Не только в майской жаре, сколько в росте частоты таких температурных аномалий. И зимой, и, конечно, летом. И будет их дальше только больше. Но давайте по пунктам о том чем нам это может грозить, что Россия в этой связи делает, а чего не делает, со ссылками и картинками.
Кстати, как обычно я записал видеоверсию этой статьи. Не забывайте подписываться на мой youtube-канал (это очень поможет его развитию!), где я рассказываю об атомной энергетике и ядерных технологиях, и не только о том, что публикую в виде больших статей.
Глобальное потепление в России. Плюсы, минусы, подводные камни
Картинка температурных аномалий 2020 года в России по сравнению с предыдущими десятилетиями. Данные Росгидромета.
Кроме того, растут риски повышения частоты таких волн жары, температурных аномалий, в том числе и отрицательных (вспоминаем морозный апокалипсис и недавний блэкаут в Техасе, о котором я писал ранее); риски деградации земель; риски для крупных сооружений из-за изменения привычных температур и нормы осадков; риски для инфраструктуры, стоящей в зоне многолетней мерзлоты (вспоминаем прошлогоднюю аварию в Норильске с разливом топлива и представляем, что что-то подобное из-за таяния мерзлоты может случиться с кучей нефте- и газопроводов на северах); риски нарушения транспортной связности из-за снижения периода работы зимников в северных регионах, риски тех же пожаров в лесах; риски роста вспышек численности насекомых-вредителей и появление их чужеродных видов в новых ареалах обитания.
Коротко о причинах
Ниже на картинке из доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) обобщены данные сотен исследований по вкладам различных факторов, как природных, так и антропогенных, влияющих на изменение энергетического потока Земли (радиационного воздействия), т.е. грубо на «потепление/похолодание» планеты. Видно, что влияние колебаний солнечной активности на несколько порядков ниже, чем влияние антропогенных выбросов парниковых газов, в первую очередь CO2. Кстати, среднегодовая вулканическая активность, тоже едва достигает 1% от того что выбрасывает человек. Так что человек просто «задавил» все другие процессы, влияющие на климат, и задал один конкретный тренд на глобальное потепление.
Влияние различных факторов на изменение климата
Углеродный баланс (точнее дисбаланс) на планете. IPCC AR5, 2014
Кто виноват и что делать
Понятно, что рост населения и промышленности на планете шел неравномерно. Западный мир прошел индустриализацию пораньше сегодняшних развивающихся стран, а потому и основной объем выброшенного углерода пришелся на них. На картинке ниже видно, что к 2019 году исторический накопленный объем всех выбросов сформирован на 25% США, на 22% Европой, на Китай приходится 12,7%, на Россию 6% (источник).
Но на текущий момент расклад поменялся и развивающиеся страны «нагоняют» упущенное за счет бурного роста экономики и необходимости удовлетворения растущего спроса в энергии, за которым не поспевают экономически оправданные меры по снижению выбросов. По текущим годовым выбросам лидирует Китай (28%), США (15%), Индия (7,0%). Россия же снова на четвертом месте 4,6% ежегодных глобальных выбросов.
Помимо взятых на себя в рамках Парижского соглашения обязательств о сокращении выбросов, многие страны обозначили планы по их полному снижению, до нуля, т.е. по достижению углеродной нейтральности. Евросоюз, США, Япония, Южная Корея и десятки других страны собираются достигнуть углеродной нейтральности к 2050 году. Китай обещает пройти пик выбросов до 2030 года и достигнуть углеродной нейтральности не позже 2060 года. По данным ООН, на начало 2021 года обозначили планы по углеродной нейтральности страны, составляющие 70% мирового ВВП и ответственные за 65% всех выбросов.
А что Россия?
«По сравнению с 1990 годом Россия в большей степени, чем многие другие страны, сократила выбросы парниковых газов. Эти выбросы уменьшились в два раза – с 3,1 миллиарда тонн эквивалента СО2 до 1,6 миллиарда тонн. Это стало следствием кардинальной перестройки российской промышленности и энергетики, ведущейся в последние 20 лет»
Это правда, что Россия больше всех сократила выбросы от уровня 1990 года (см диаграмму ниже). Но сокращение произошло в результате той самой «величайшей геополитической катастрофы», выражаясь словами вышеупомянутого персонажа, т. е. развала СССР. Когда в начале 1990-х рухнула экономика, тогда и сократились выбросы, почти вдвое. Но об этом скромно умалчивается, а причиной успехов называется реформа экономики.
Когда Россия собирается стать углеродно-нейтральной тоже непонятно. Какой-то принятой стратегии у нас нет. В начале 2020 года Минэкономразвития подготовило проект Стратегии долгосрочного развития с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года [3]. Так там даже в оптимистичном сценарии мы к 2050 будем примерно на том же уровне выбросов, что и сейчас, а углеродная нейтральность ожидается ближе к концу XXI века (см график ниже). Блин, даже у коптящего как паровоз Китая, с его растущей экономикой и в два раза большими удельными выбросами, цели куда амбициознее! Впрочем, полгода назад наш Совет Безопасности эту стратегию завернул и отправил на доработку. Посмотрим, в какую сторону ее поправят. Почему вообще СБ занимается оценкой таких стратегий – отдельный вопрос.
Честно говоря, в плане советников и спецпредставителей в области климатической повестки у меня куда больше надежд вызывает недавно назначенный Анатолий Чубайс, который с декабря 2020 года является спецпредставителем Президента по связям с международными организациями для достижения целей устойчивого развития.
Но есть и хорошие новости
Но что же я все о плохом. Давайте расскажу что у нас имеется или даже специально делается для климатического ответа. А кое-что все же делается и в чем-то мы лучше, чем в среднем по миру.
Удельные выбросы электроэнергетики разных стран мира
Во-вторых, у нас есть возобновляемая солнечная и ветровая энергетика. Мало, всего 0,2% выработки, но есть. Пока мощностью около 2 ГВт, но через 4 года будет втрое больше. Так что будем надеяться, что будет развиваться, хотя программы поддержки все пытаются урезать.
В-третьих, уже сейчас идет процесс принятия закона об ограничении выбросов парниковых газов, что позволит ввести в стране учет их выбросов, связанное с ними налогообложение, продажу зеленых сертификатов, а главное – взаимодействие с ЕС по вопросу углеродных налогов и отслеживания углеродного следа произведенных в России товаров. Кстати, в ближайшие 4-5 лет на Сахалине будет проводиться эксперимент по учету выбросов и созданию там углеродно-нейтрального региона. Весьма любопытная идея. А еще у нас есть планы развития водородной энергетики и желание занять 20% мирового рынка водорода. А пока из ближайшего – развитие водородного ж/д транспорта на все том же Сахалине с участием Росатома.
Перспективы и выводы
Конечно, борьба с изменением климата не должна становиться самоцелью и затмевать все остальные проблемы. Ситуации в разных странах свои, приоритеты свои и свои возможности. Развитые страны уже достигли высокого уровня потребления энергии и ресурсов и могут позволить себе довольно затратную трансформацию своих экономик без ущерба для уровня жизни людей. Развивающиеся страны, например Китай, не могут сейчас себе позволить снижение потребления энергии, которое им необходимо для роста экономики, т.к. это приведет к снижению уровня жизни людей. За последние 30 лет Китай увеличил потребление энергии на душу населения в 10 раз (хотя оно все равно ниже чем в России), и сократил число бедных более чем на 100 млн человек за последние 10 лет.
В России же уже достаточно высокий уровень потребления энергии на душу населения, он очень медленно растет на 1-2% в год. Да и роста экономики не наблюдается. Поэтому наши проблемы ближе к ситуации Европы и США, чем к Китаю. Вот только уровень жизни не совсем такой. И структура экономики. Углеводороды и энергоресурсы – это по-прежнему 25% ВВП и 60% экспорта. И менять что-то кардинально мы не планируем. Наоборот, рассчитываем на рост добычи и продажи ресурсов. Да, мир, в основном Азия, еще какое-то время будут потреблять ископаемое топливо. Скорее всего пройдет еще лет 20-30 прежде чем будет пройден мировой пик потребления угля, нефти и газа. Так что еще пару десятилетий застоя можно протянуть, разворачивая поставки сырья в сторону востока и Китая. Хотя к экономической целесообразности и экологическим последствиям такой политики тоже есть масса вопросов. Но Европа, как основной наш внешнеэкономический партнер, откажется от нашего сырья раньше. Поэтому все эти западные, а на самом деле уже мировые климатические и экологические инициативы, вся эта возобновляемая энергетика, электромобили и углеродные налоги зачастую воспринимаются и руководящими товарищами, и многими простыми жителями, как антироссийский заговор. Хотя что сейчас так не воспринимается?
Отдельный свежий пример. Буквально на днях наше Министерство иностранных дел (там, конечно, работают большие специалисты по климату) прислало в Минэкономразвития страны рекомендации по формированию климатической политики, где рекомендовало финансирование исследований, которые позволили бы России продвигать «альтернативные» точки зрения на изменение климата, которые «не обязательно означают отказ от ископаемого топлива и ограничение промышленного роста». При этом документ намекает, что наши российские ученые, поддерживающие позиции МГЭИК, делают это потому что ведут исследования на иностранные гранты. Удивительное непонимание того как вообще ведутся научные исследования и попытка влезть со своими политическими бреднями в научную проблему. Подробнее об этом отзыве МИДа и мнении о нем наших ученых можно почитать по ссылке.
Печально, что и на бытовом уровне отношение к климатическим проблемам довольно неоднозначное. Куда ни глянь, все жалуются на «плохую экологию» (не говорите так никогда! Экология – это наука, а плохим может быть состояние нашей окружающей среды или отношение к ней), но при этом сторонников идеи о заговоре климатологов по моим ощущениям не меньше, чем антипрививочников. И не меньше, чем тех, кто реально занимается наукой в области климата и экологии, или создает экологичные бизнесы или технологии, или на бытовом уровне занимается сортировкой мусора, или отказался от автомобиля живя в городе, или готов добиваться каких-то действий в области охраны окружающей среды от властей, или противостоять мракобесию в головах принимающих решение чиновников. Зато желающих пошутить и позлорадствовать над практичностью электромобилей в России, над девочкой Гретой или глобальным потеплением морозной зимой – хоть отбавляй. А смешного то тут мало.
Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.
Глобальное потепление — это миф или нет?
Как часто вы слышали связку слов «учёные бьют тревогу» и «глобальное потепление»? Да, что-то такое регулярно витает в информационном поле, но все уже свыклись с тем, что защитники природы постоянно чем-то обеспокоены. А ведь глобальное потепление может пощекотать нервишки уже вашим детям и внукам.
Определение
Глобальное потепление — это постепенное увеличение средней годовой температуры климатической системы Земли вследствие деятельности человека.
Учёные называют глобальное потепление самой серьёзной климатической проблемой на сегодняшний день. На этой визуализации от NASA представлена температурная карта Земли с 1884 года до наших дней. Просто досмотрите до 1980-х.
Глупо полагать, что глобального потепления нет, когда учёные ежегодно делятся результатами исследований, подтверждающих это явление. В 2021 году Межправительственная группа экспертов ООН по изменению климата представила доклад, где отмечается, что за 2 000 лет не наблюдалось такого стремительного повышения среднегодовой температуры. Последние же 5 лет — самые жаркие с 1850 года, в котором дан старт метеонаблюдениям.
Мониторинг изменения температуры климата согласуются с другими наблюдениями:
Причины глобального потепления
Основанной фактор изменения климата сегодня — это деятельность человека. За последнее столетие для своих нужд мы стали активно сжигать ископаемое топливо: нефть, уголь и природный газ. Если говорить о конкретных сферах-загрязнителях, то это:
Вследствие сгорания топлива в атмосферу выделяются тоны газов, которых в такой концентрации по естественным причинам там быть не должно. Это приводит к так называемому «парниковому эффекту», из-за которого среднегодовая температура на всей планете растёт.
Сегодня человечество выбрасывает в атмосферу около 40 миллиардов тонн углекислого газа. Это в десятки раз больше вулканов.
Ещё одна важная причина — это вырубка лесов. Деревья выступают природными поглотителями углекислого газа, что всегда позволяло регулировать его концентрацию в атмосфере. За последние 8 000 лет исчезло более половины лесов Земли, при чём 75% всей площади вырубки пришлось на 20-й век.
Вклад в загрязнение атмосферы вносит и сельское хозяйство. Животные, которые используются для производства мяса, выделяют большое количество метана в процессе пищеварения. А применение удобрений увеличивает концентрацию оксида азота в атмосфере.
Что такое парниковый эффект
Парниковый эффект — явление, при котором газы в атмосфере удерживают тепло.
Парниковые газы пропускают свет, но не позволяют теплу сразу выходить, как парники на грядках, отсюда и название.
Как наглядно работает парниковый эффект:
Концентрация парниковых газов в течение последних тысячелетий менялась, но оставалась относительно постоянной, как и средняя температура на Земле. Так было ровно до 20-го века.
Отличный пример того, как работает парниковый эффект, — Венера. Там атмосфера настолько плотная, что планета фактически покрыта непроницаемым одеялом, через которое большинство тепла не может прорваться в космос. Средняя температура на Венере — 462 °C.
А разве перепады температуры на Земле не являются естественными?
Человеческая деятельность — не единственный фактор, влияющий на климат Земли. Роль также играют:
При мониторинге средней температуры планеты учитываются и эти факторы. Например, изменение уровня солнечной радиации и вулканическая активность имели значение только около 2% в недавнем потеплении. Остальное обеспечили парниковые газы и другие антропогенные факторы.
Исторически климат Земли регулярно менялся от температур, которые мы наблюдаем сегодня, до температур, достаточно низких, чтобы покрыть льдом большую часть Северной Америки и Европы. Разница между средними глобальными температурами сегодня и во время этих ледниковых периодов составляет всего 5 градусов по Цельсию.
Главное отличие в том, что изменение климата по естественным причинам всегда происходило на протяжении сотен тысяч лет, а сегодня темпы роста температуры аномально высокие, чего не было, по крайней мере, за последние полмиллиона лет.
К чему приведёт глобальное потепление
Вымирание животных и растений
Быстрый рост выбросов парниковых газов является проблемой, потому что он меняет климат быстрее, чем многие живые существа могут к нему приспособиться.
Одним из примеров является высокая угроза вымирания полярных медведей, которые могут полностью исчезнуть уже к 2050 году. Также под ударом малочисленные виды прибрежных зон, которые первыми окажутся под водой.
Таяние ледников и увеличение уровня Мирового океана
С ростом концентрации парниковых газов оставшиеся ледяные щиты Земли — Гренландский и Антарктический — тоже начинают таять. Эта дополнительная вода может значительно и быстро поднять уровень морей. Так, за период наблюдений с 1993 года уровень моря повышался от 2,6 мм до 2,9 мм. К 2050 году прогнозируется повышение уровня моря до 70 см по мере таяния ледников.
Ещё менее оптимистичные прогнозы касаются Арктики, которая может оставаться без льдов на летний период уже к 2030 году.
Кроме ледяных щитов, будут исчезать и ледяные шапки в горах, что приведёт не только к частым наводнениям, но и проблемам с доступом к питьевой воде, т.к. ледники питают реки.
Ухудшение погодных условий и частые катаклизмы
Помимо повышения уровня моря, погодные условия могут стать еще более суровыми. Это означает интенсивные сильные штормы, учащающееся выпадение осадков, сменяемые продолжительными засухами. Такие явления могут стать ощутимой проблемой для выращивания сельскохозяйственных культур.
Частота сильных ураганов и наводнений будет только расти.
Влияние на здоровье людей
Считается, что глобальное потепление будет оказывать скорее негативное влияние на человека.
Что делать?
Решения давно проработаны и вполне очевидны.
Почему глобальное потепление игнорируется
Модель, описывающая потепление климата, существует ещё с 1980-х, и с тех пор она только подтверждалась и дополнялась сотнями серьёзных работ в этой области. 97% исследователей сходятся во мнении, что повышение концентрации углекислого газа в атмосфере прямо связано с увеличением среднегодовой температуры на Земле за последние годы.
Но почему-то многие СМИ и политические делатели зачастую приравнивают глобальное потепление к теории заговора и фальсификациям со стороны злых учёных с целью навредить экономике. Да и население охотно перенимает такую позицию.
Объяснить всё это можно так:
Нужно упомянуть, что практически все страны согласны с необходимостью замедлить глобальное потепление. Было подписано ряд соглашений, но формально правительства, которые не будут выполнять обязательства этих договорённостей, не понесут никаких наказаний — это просто не прописано.
Заключение
Глобальное потепление существует. Его причина — деятельность человека, которая усиливает парниковый эффект. Глобальные последствия наблюдаются уже сейчас в виде таяния ледников, частых природных катаклизмов и повышения уровня морей. Уже в ближайшие годы ситуация будет усугубляться: исчезнут многие виды животных и растений, сократится количество с дней с «благоприятными» погодными условиями, начнётся затопление прибрежных регионов и островов. Меры разработаны, но зачастую исполняются локально, хотя практически все страны их поддерживают.
Глобальное потепление для начинающих
Если бы вы не слышали о глобальном потеплении, как бы вы смогли установить, происходит ли оно?
Вопрос о том, происходит ли изменение климата, не стоит. Спорить можно только о том, какую роль в нём играют люди.
— Дэвид Аттенборо
Давненько я не писал ничего про глобальное потепление, изменение климата и вообще о земных проблемах окружающей среды. Я ведь физик – точнее, астрофизик – и хотя я хорошо разбираюсь в физике Земли и в науке, это не моя экспертная область.
Но мне поступило много просьб взглянуть на вышедший (в 2014 году) отчёт IPCC по поводу глобального потепления и меня спрашивали, как можно самостоятельно попытаться установить, нагревается ли Земля.
И если это действительно так, то как понять, играет ли человечество в этом процессе значительную роль?
Пост будет большой, но чтобы докопаться до правды, нужно время. Так что потратим это время и сделаем всё правильно, согласно современным научным представлениям.
Днём мы поглощаем энергию Солнца, но и излучаем её, как днём, так и ночью, в космос. Поэтому днём температура повышается и ночью понижается – так это происходит с каждой планетой, имеющей дневную и ночную стороны. Также меняются сезоны, холодные и тёплые времена, в зависимости от эллиптичности орбиты планеты и наклона оси.
Но если бы температуру определяли только два этих параметра, тогда самая близкая к Солнцу планета была бы самой горячей, и их температура постепенно падала бы по мере отдаления от Солнца. Можно проверить это предположение, начиная с самой внутренней планеты и двигаясь наружу.
Меркурий очень горячий. На самом деле очень горячий! Он ближе всех к Солнцу и совершает оборот всего за 88 земных дней. Максимальная температура днём составляет невероятные 700 К (427 °C / 800 °F) в самых горячих местах. Меркурий вращается очень медленно, так что его ночная часть проводит много времени в темноте, закрытая от Солнца. В это время она охлаждается до 100 K (−173 °C / −280 °F), что очень холодно, гораздо холоднее естественных температур на Земле. Такова ситуация с ближайшей планетой к Солнцу, Меркурием.
Венера находится в среднем в два раза дальше от Солнца, чем Меркурий и совершает оборот вокруг Солнца за 225 земных дней. Она тоже медленно вращается, проводя по 100 земных дней на солнце и столько же в тени. Поэтому вам может показаться удивительным, что температура Венеры всегда постоянна, как днем, так и ночью и в среднем составляет 735 K (462 °C / 863 °F), что даже больше, чем у Меркурия!
Поэтому, если нам нужно разобраться с тем, что происходит на этих мирах, нужно спросить – почему?
Оказывается, что размер не имеет значения. Если бы Меркурий был в два раза больше, или Венера в два раза меньше, их температура не поменялась бы значительно, поскольку количество солнечного света, падающего на единицу поверхности планеты, не поменялось бы.
А вот то, что Меркурий в два раза ближе к Солнцу, имеет значение.
Любой объект, удалённый на двойное расстояние от Солнца, получает лишь четверть солнечной энергии на единицу площади, поэтому Меркурий должен получать в четыре раза больше энергии на каждую часть поверхности, чем Венера.
При этом Венера горячее, что говорит о том, что в оставшихся двух пунктах содержится что-то важное.
Отражение или поглощение объектом лучей известно как альбедо, от латинского «albus», что значит «белый». Объект с нулевым альбедо идеально поглощает излучение, а объект с альбедо равным 1 идеально отражает. Вам может быть знакома Луна, у которой, судя по всему, довольно высокое альбедо, поскольку она выглядит белой и днём и ночью.
Не обманывайтесь! Среднее альбедо Луны всего лишь 0,12, то есть она отражает только 12% падающего света и поглощает 88%. Чем меньше альбедо объекта, тем лучше он поглощает свет, а чем выше альбедо, тем меньше света поглощается. (Специально для планетологов уточняю, что использую альбедо Бонда).
Альбедо Меркурия примерно такое же, как у Луны, а у Венеры – одно из самых больших для всех тел Солнечной системы.
Итак, что мы получили: хотя у них разный размер, значения это не имеет, Меркурий получает примерно в четыре раза больше энергии, чем Венера на единицу площади; Меркурий поглощает почти 90% падающего на него солнечного света, а Венера только 10%.
И всё-таки Венера даже по ночам всегда горячее, чем любое место на Меркурии.
Какой там четвёртый пункт?
4. У Меркурия нет атмосферы, а у Венеры она очень плотная. (Особо ловкие из вас могли видеть её во время транзита Венеры по солнечному диску в 2012 году!)
Видите ли, Меркурий и Венера не только поглощают энергию Солнца, они потом её заново излучают в космос в виде тепла. В случае Меркурия всё это тепло возвращается в космос, а вот в случае с Венерой ему приходится проходить через толстый, толстый слой атмосферы, что довольно трудно сделать.
Оказывается, что атмосфера играет критическую роль. Жара, достигающая Венеры, остаётся там надолго. Она остаётся достаточно долго для того, чтобы нагреть всю ночную сторону до той же температуры, что имеет дневная (в этом помогают ветра, облетающие планету за четыре дня) и жара остаётся там достаточно долго, что позволяет Венере быть самой горячей планетой Солнечной системы.
Какой можно сделать вывод? Толстая атмосфера Венеры, без сомнения и есть причина того, что она горячее Меркурия. И раз уж атмосферы останавливают тепло, как это происходит на Венере, необходимо вспомнить, что у Земли тоже есть атмосфера!
Атмосфера Земли тоньше и менее эффективная. Но даже если масштабы эффектов сильно отличаются, принципы и механизмы остаются такими же. Это пока не вся история, но очень важная её часть, которую нужно иметь в виду.
Где же находится Земля относительно первых трёх пунктов списка?
Размер у неё примерно такой же, как у Венеры, диаметр на 5% больше, хотя это для температуры значения не имеет.
Она в три раза дальше от Солнца, чем Меркурий и на 50% дальше, чем Венера, поэтому она получает 1/9 от количества излучения на единицу площади, получаемого Меркурием и меньше половины излучения, получаемого Венерой.
Альбедо у Земли сложное и непостоянное, из-за переменного покрытия облаками (а облака сильно отражают излучение), времен года (кроме того, у мест,, покрытых зеленью альбедо отличается от голой земли), изменения полярных шапок и снежного покрытия и т.п. В среднем альбедо Земли достигает 0,3, но следующий график показывает, как сильно может различаться альбедо в зависимости от места или сезона.
Поэтому хотя альбедо Земли и сложное, его просто отслеживать при наличии на орбите спутников и легко учесть в построении модели происходящего с нашей родной планетой.
Если нам нужно понять, какая у Земли температура, почему она такая и сделали ли что-нибудь люди для её изменения, нам нужно понять четвёртый пункт: атмосферу Земли. Она реальна, она есть и она важна – но насколько?
Чтобы понять, как это работает, нам нужно начать с источника энергии, которую так замечательно улавливает атмосфера планет: с Солнца.
Солнце, используя проверенную временем метафору, адски горячее. По крайней мере, если мы примем, что температура поверхности ада составляет около 6000 К.
У этого излучения – как и у любого другого – есть конкретное распределение энергии, известное как излучение чёрного тела (с небольшим добавочком на очень высоких длинах волн из-за эффектов атмосферы Солнца). Это значит, что большая часть света, исходящего от Солнца, концентрируется в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной частях спектра. Такой результат вы получите, нагрев что угодно до 6000 К. Это будет энергетический спектр примерно такого вида:
Это та энергия, которую получит планета. В случае безвоздушных миров вроде Меркурия или Луны 100% этой энергии достигнет поверхности планеты. В мире с облаками, как на Земле, приличная часть может быть отражена обратно в космос ещё до того, как дойдёт до поверхности. Но самый исключительный случай – это Венера.
90% солнечного света, попадающего на Венеру, отражается обратно в космос и примерно 10% поглощается. При этом, что интересно, Венера – как и все планеты – затем излучает поглощённую энергию в космос! Если бы у неё не было атмосферы, как у Меркурия или Луны, 100% этой энергии просто было бы отправлено обратно во Вселенную. Поскольку Венера холоднее (как любая планета), она излучает тем же способом, как и Солнце: как чёрное тело. Но длины волн излучения Венеры сильно сдвинуты к низким энергиям, низким частотам и большим длинам волн.
Проблема в том, что многие газы в атмосфере Венеры – газы, легко пропускающие солнечный свет – не прозрачны для излучения с более длинными волнами, испускаемого Венерой. И это сочетается с многими слоями плотных, поглощающих энергию облаков. Что же происходит там с энергией?
Солнце испускает энергию, Венера поглощает её часть, а затем, когда излучает её обратно, то большой процент этой энергии поглощается атмосферой и отправляется обратно к поверхности. Поверхность снова излучает эту энергию и опять, атмосфера поглощает большую её часть и излучает её обратно к поверхности.
И этот процесс продолжается. Чем толще атмосфера Венеры – а, в частности, толще компоненты атмосферы, непрозрачные для инфракрасного излучения, испускаемого поверхностью Венеры – тем дольше энергия остаётся на планете.
Поэтому Венера такая горячая!
Существует всего 13 фотографий (насколько я знаю), сделанных спускаемым аппаратом на поверхности Венеры: Венера-13, выжившая, что удивительно, 127 минут на раскалённой второй планете от нашего Солнца. (Её сестра, Венера-14, выжила достойный уважения период в 57 минут). Это неплохо, учитывая, что поверхность Венеры достаточно горячая, чтобы плавить свинец за секунды!
Вернёмся к атмосфере Венеры. Она очень плотная: она содержит в 100 раз больше молекул, чем атмосфера Земли и 96,5% атмосферы Венеры составляет углекислый газ. Оставшаяся часть – это азот, с небольшими количествами других молекул, включая немножко любимого нами вещества H2O.
Эти два газа обладают очень сильным поглощающим эффектом в инфракрасном диапазоне. Вот как выглядит спектр поглощения инфракрасного излучения для углекислого газа:
А у водяного пара он вот такой:
Показанные здесь масштабы не соответствуют концентрациям газов на Венере. Водяной пар на Венере сохраняет всего лишь четверть эффективности по сравнению с графиком, а вот влияние углекислого газа – представьте себе! – примерно в четверть миллиона раз (250 000) сильнее, чем на графике.
То есть, CO2 на Венере главным образом ответственен за удержание на планете температуры за счет излучения, которое не может вернуться в космос, и за такой долгий период её поддержания. Вот численное представление того, что углекислота делает на Венере с жарой, излученной с поверхности.
Если бы на Венере не было атмосферы – если бы она больше походила на Меркурий и была бы просто сферой, поглощающей большинство солнечного света, чтобы затем выпустить его обратно в космос – её температура составляла бы около 340 К (67 °C / 153 °F), что, хотя и жарко, но не уникально.
Эффект атмосферы Венеры – со всеми облаками и газами – работает, как толстое, огромное, изолирующее одеяло, которое сохраняет Венеру в тепле тем же способом, как сохраняют в тепле вас: поглощая её энергию и излучая обратно на неё.
Под более тяжёлым одеялом вам будет теплее, также эффект увеличат несколько одеял. Вполне возможно, при помощи достаточного количества одеял, разогреться гораздо выше вашей нормальной температуры – осторожно, не переборщите!
У Земли атмосфера гораздо менее плотная, но она всё равно справляется с ролью одеяла.
Впервые этот эффект открыл почти два века назад Джозеф Фурье, а детально изучил Сванте Август Аррениус в 1896 году. (Помните школьный курс химии по кислотам и основаниям? Это всё он придумал).
Пока что атмосфера Земли выглядит вот так: либо её можно описать, как несколько одеял, либо как одеяло заданной толщины. Можно добавлять или удалять одеяла (или менять толщину одеяла), добавляя или удаляя из атмосферы разные поглощающие инфракрасное излучение газы.
Эта идея и поддерживает глобальное потепление, парниковый эффект и объясняет, почему планеты с атмосферой горячее планет без атмосферы. Пока что тут никто не найдёт никаких противоречий: планеты получают солнечный свет, отражают его часть и поглощают остальное, которое также может быть излучено. В зависимости от состава атмосферы, эта заново излученная энергия может быть поймана с сильно различающейся эффективностью, что и разогревает планету.
Из чего же состоит атмосфера Земли?
В основном из азота, около 78% нашей сухой атмосферы, за ним идёт кислород, 21%. Есть порядка 1% аргона, инертного газа, за которым идёт немножко углекислого газа, неона (ещё одного инертного газа), метана и других элементов.
Я не зря написал «сухой атмосферы», потому что наша атмосфера не сухая. Есть у нас такая небольшая надоедливая штуковина, мешающая атмосфере высохнуть.
Я имею в виду, конечно, наши океаны, по массе в 300 раз превосходящие всю атмосферу Земли. Из-за химических процессов (испарения, давления пара и т.п.), они добавляют примерно 1% от атмосферы в виде водяного пара. Эта цифра сильно меняется, но этим компонентом мы управлять не можем.
Есть и другие; кроме водяного пара, мы не управляем, облаками, кислородом или озоном (по крайней мере, пока). Но количество диоксида углерода в атмосфере сильно менялось за последние несколько столетий, и это происходит, без сомнения, из-за человеческой активности.
До конца 18 века уровни диоксида углерода вели себя стабильно и составляли 270-280 частей на миллион в атмосфере, немного изменяясь из-за извержений вулканов, лесных пожаров и других естественных процессов. Но с наступлением индустриальной революции всё это начало меняться.
В первый раз за всю историю накопленный за сотни миллионов лет углерод, хранившийся под поверхностью земли – останки углеродных организмов, похороненные под землёй и превратившиеся в нефть, уголь и другие ресурсы, стал сгорать и возвращаться в атмосферу.
Можете подсчитать сами, и у вас получится, что с начала индустриальной революции мы сожгли и добавили порядка 1,5 триллиона тонн углекислоты в атмосферу.
Это может удивить вас, поскольку если подсчитать общее количество углекислоты в атмосфере, оно составит всего лишь 2,1 триллиона тонн (400 частей на миллион), так что его количество с начала индустриальной революции увеличилась всего на 0,7 триллиона тонн (270 частей на миллион). Куда подевались 0,8 триллиона тонн?
В океан. Знаете, что получится, если смешать углекислый газ CO2 с водой H2O? Получится H2CO3, угольная кислота. (И да, об этом тоже узнал наш старый друг Аррениус). Если вы слышали об окислении океанов, вот откуда оно берётся и причина этого не вызывает сомнений.
Но мы говорим не о том; нашей темой служит глобальное потепление. На основании описанных явлений мы знаем, что планеты поглощают свет в ультрафиолетовом, видимом и около-инфракрасном диапазонах, а затем излучают энергию обратно в космос в среднем и дальнем инфракрасном диапазонах. По крайней мере, пытаются, если только что-нибудь в атмосфере не поглощает часть инфракрасной энергии и не излучает её обратно на поверхность планеты. Как с этим справляются газы на Земле?
Средненько, но достаточно для разогрева планеты до температур на 33 °C (59 °F) больше, чем если бы их не было. Наука об атмосфере смогла точно подсчитать, какой вклад вносят в этот эффект различные компоненты:
50% парникового эффекта в 33 Кельвина получается благодаря водяному пару, 25% — из-за облаков, 20% — из-за CO2, а оставшиеся 5% — из-за других неконденсирующихся газов вроде озона, метана, оксида азота и т.п.
На самом деле, если убрать эффект водяного пара, вот какой вклад вносит повторное излучение энергии разными газами.
Так что, если 20% парникового эффекта происходит из-за углекислого газа и мы увеличили его объём на 50%, значит ли это, что мы добавили ещё 3.3 °C (5.9 °F) к потеплению?
Возможно, но не обязательно. Существуют и другие факторы, и если вы разогреете Землю, у неё найдётся много естественных механизмов для саморегуляции.
Избыточное тепло хранится в ледниках и ледяных шапках и если их растопить, они выпустят холодную воду в океаны, озёра и реки. В случае небольшого увеличения количества углекислого газа увеличится активность растений, которые заберут часть газа из атмосферы.
Опасной ситуация становится при добавлении слишком большого количества углекислого газа к атмосфере со слишком большой скоростью, из-за чего температура Земли может начать увеличиваться в ответ на увеличивающийся парниковый эффект.
Именно это мы и наблюдаем. У нас происходили нормальные температурные флюктуации – соответствующие историческим наблюдениям – до 1970-х. После этого средняя температура Земли начала расти в соответствии с экспоненциальным ростом концентрации углекислого газа.
И этот рост шёл без перерыва (несмотря на жульнические опровержения этого факта) до сегодняшнего дня. Некоторые люди занимались выборочной подтасовкой данных, чтобы объявить об окончании роста температуры, с применением неправильных со статистической точки зрения методов.
Другие методы представления общей средней температуры по времени – например, усреднение температур за десятилетия – показывают тот же самый плавный рост температуры со временем с конца 1970-х.
Большая часть тепла не накапливается на поверхности или в атмосфере; в этих местах её проще всего измерять.
Как и можно было ожидать, раз у океанов Земли низкое альбедо, они занимают большую часть поверхности, обладают быстрой конвекцией и средней глубиной в 3 – 4 км, большая часть тепла оказалась в океанах.
Поэтому, вне всякого сомнения, Земля нагрелась и – насколько мы можем судить – ещё нагревается.
Могут быть и другие, естественные объяснения потепления, например, увеличение солнечной активности, которое коррелировало с увеличениями температуры в прошлом. Но на самом деле происходит обратное и текущий солнечный цикл показывает серьёзное уменьшение солнечной активности, что привело бы к охлаждению при прочих равных.
Нельзя строго доказать, что причиной глобального потепления стала человеческая деятельность, но на основании наших знаний о планете, земной атмосфере, человеческой деятельности и наблюдаемом потеплении, кажется очень маловероятным, что причиной этому является что-либо другое. Ни Солнце, ни вулканы, ни какое-то другое известное нам явление.
Отчёт IPCC AR5 посвящён всестороннему и глубокому изучению этого и других проблем глобального потепления. Его можно скачать, но он длинный и для него есть краткое описание.
Теперь, когда вы знаете, что глобальное потепление реально и понимаете, почему оно, скорее всего, связано с человеческой деятельностью, надеюсь, вы начнёте задавать вопросы о том, как правильно решать эту проблему. Я бы хотел, чтобы люди счастливо и успешно жили в этом мире ещё тысячи поколений и это надо начинать с заботы о мире сегодня.
Это лучшее, что у нас есть и самая полная из картин, которую мы можем построить. Давайте прислушаемся к ней, позаботимся о нашем мире ради нас самих и ради всех людей и живых существ, которые появятся после нас в этом мире.
