Проект - "Парниковая катастрофа" В.А.Карнаухов     Парниковая катастрофа     В конце 80-х - начале 90-х годов в литературе активно обсуждалась проблема увеличения среднепланетарной температуры Земли, связанного с ростом концентрации СО 2 в атмосфере в результате сжигания углеводородного топлива (угля, нефти, газа), - так называемый "парниковый эффект". Господствующей в тот момент являлась гипотеза, предполагавшая, что в результате повышения среднепланетарной температуры и концентрации СО 2 увеличится скорость фотосинтеза, что, в свою очередь, должно будет привести к стабилизации среднепланетарной температуры Земли и концентрации СО 2 на новом, более высоком уровне . Целью нашей работы (Лаборатория биофизики биоценозов ИБК РАН) было определение равновесных параметров атмосферы Земли (температуры, концентрации СО 2 ) при условии продолжающегося сжигания углеводородного топлива (уголь, нефть, газ и др.). Планировалось рассмотреть несколько сценариев развития мировой энергетики, а также максимально подробно учесть различные процессы, происходящие в живой и неживой природе Земли. Проведенный анализ литературы показал, что, несмотря на большое количество научных публикаций о парниковом эффекте, среди них практически отсутствовали междисциплинарные работы, в которых делались бы попытки построения интегральной модели данного явления, включающей процессы в живой и неживой природе. Более того, выяснилось, что в этой области существует немало ошибочных, но, при этом, благодаря популярным изданиям, устоявшихся взглядов. Концептуально (к 1992 г.) проблема описания парникового эффекта практически находилась в том же состоянии, в котором она находилась в конце 50-х - начале 60-х годов (Будыко). Основные результаты, полученные в ходе исследования.   Недостаточность биологических механизмов удаления СО 2 из атмосферы. Практически сразу был установлен факт значительной (на несколько порядков) недостаточности биологических механизмов изъятия СО 2 из атмосферы по отношению к его техногенному выбросу. Действительно, общая продукция органических веществ в результате процессов фотосинтеза (в пересчете на углерод) составляет около 43 млрд. т/год (БСЭ, углерод), что выше уровня техногенного выброса СО 2 в атмосферу (1.8 млрд т/год). Однако большая часть связанного углерода, благодаря процессам дыхания, гниения, пожарам и т. д., снова возвращается в атмосферу в виде СО 2 . Разница между биогенным связыванием (фотосинтезом) СО 2 и выделением связанного в результате фотосинтеза СО 2 (дыхание, пожары и т.п.) невелика и составляет всего 45 млн. т/год, что почти в 50 раз меньше уровня техногенного выброса СО 2 в атмосферу. К сожалению, во многих публикациях по экологии (особенно в научно-популярных) сравниваются величины общей продукции органических веществ в результате фотосинтеза и техногенного выброса СО 2 , что создает иллюзию тривиальной обратимости современных изменений в атмосфере Земли.   Примечание: Здесь и в приложении все величины указаны в пересчете на углерод. В приложении, кроме того, все величины даны в пересчете на 1 см 2 поверхности Земли (510 млн. км 2 = 0.51х10 19 см 2).     Роль различных биоценозов в долговременном извлечении СО 2. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА = 10-6 г/см2 в год     Была проанализирована роль различных биоценозов в долговременном извлечении СО 2 из атмосферы. Вопреки достаточно распространенному мнению, что "лес - легкие планеты", оказалось, что роль биоценозов лесов в долговременном связывании СО 2 крайне мала, поскольку практически весь связанный благодаря фотосинтезу углерод возвращается в атмосферу в виде СО 2 вследствие процессов дыхания, гниения отмирающих листьев и древесины, а также лесных пожаров. Для долговременного извлечения СО 2 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 СО 2 . Следует отметить, что зачастую осушение болот сопровождается вымиранием видов, приспособленных к существованию в определенных условиях конкретных болот, расположенных в конкретной климатической зоне. Поэтому 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 СО 2 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 отметим 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. Отметим, что нами, по-видимому, впервые было введено понятие климатообразующих биоценозов (видов) и объединены проблемы биоразнообразия и устойчивости климата Земли.   Примечание: В Приложении 4 показаны основные процессы, влияющие на концентрацию СО 2 в атмосфере Земли. Стрелками обозначены причинно-следственные связи между процессами. Красными стрелками - прямое действие, синими - обратное (тормозящее). Фигурка человека обозначает антропогенное воздействие.     Роль парникового эффекта в формировании климата планет. Вопреки распространенному мнению, что парниковый эффект лишь незначительно "подправляет" температуру, которая, в основном, определяется интенсивностью солнечного излучения, падающего на ту или иную планету, оказалось, что "парниковый эффект" способен изменять температуру планеты на несколько сотен градусов. Например, среднепланетарная температура Венеры при параметрах атмосферы, аналогичных земным, должна была бы быть всего на 50 0 С выше, чем на Земле. Однако, как известно, среднепланетарная температура Венеры составляет почти 500 0 С. Таким образом, за счет сильного парникового эффекта температура поверхности Венеры увеличивается более, чем на 400 0 С. Повышение среднепланетарной температуры Земли даже на 50 0 С имело бы катастрофические последствия для человеческой цивилизации. Повышение среднепланетарной температуры на 150 0 С, по-видимому, сделало бы невозможным существование жизни на Земле (по меньшей мере, в ее нынешней форме). Поэтому для обозначения такого сценария изменения климата Земли в результате повышения концентрации СО 2 , при котором рост среднепланетарной температуры составит 50 0 С и более, нами введено понятие "Парниковой катастрофы".   Количественная модель парникового эффекта. Для прогнозирования скорости изменения среднепланетарной температуры Земли важно иметь хотя бы грубую количественную оценку зависимости среднепланетарной температуры от концентрации СО 2 в атмосфере. К сожалению, существующие модели атмосферы, которые создавались преимущественно для задач метеорологии, не дают однозначного ответа на этот вопрос. Нами была предложена сравнительно простая модель, позволившая дать количественную оценку влияния концентрации парниковых газов на среднепланетарную температуру   где D Т (CO2) - прирост температуры поверхности планеты за счет парникового эффекта, С со 2 - концентрация парниковых газов у поверхности планеты, С кр со 2 - концентрация парниковых газов, при которой атмосфера поглощает половину длинноволнового (инфракрасного) излучения поверхности планеты, b - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность температуры   и зависящий от таких универсальных параметров, как: m co2, - молярная масса парникового газа, с P - изобарная теплоемкость атмосферы , R0 - универсальная газовая постоянная, T - температура планеты, лишенной парникового эффекта. Для Земли и Венеры коэффициенты b примерно равны и составляют 37 0 С. Формула (1) дает правильное значение современной среднепланетарной температуры, как для Земли, так и для Венеры (см. приложение 6). Изменение среднепланетарной температуры Земли в соответствии с формулой (1) должно было бы составить (за время инструментальных наблюдений концентрации СО 2 ) около 8 0 С.   Другие факторы, влияющие на изменение среднепланетарной температуры Земли. Мы получили довольно большое различие между расчетным значением парникового эффекта (8 0 С) и реально наблюдаемым повышением среднепланетарной температуры Земли (1-2 0 С) (по различным данным). Существует две основные причины этого:   Во-первых, при оценке величины парникового эффекта целью наших расчетов было получение предельного стационарного значения температуры Земли. Поскольку рост концентрации СО 2 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 40 0 С 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 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 СО 2 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. Оценка предстоящего времени существования человеческой цивилизации. На основе имеющихся данных о ежегодном техногенном поступлении СО 2 в атмосферу построена модель изменения среднепланетарной температуры Земли для двух сценариев развития мировой энергетики. Первый сценарий - "оптимистический", предполагает, что техногенный выброс СО 2 в атмосферу не будет увеличиваться со временем, а будет зафиксирован на современном уровне. Второй сценарий - "реалистический", предполагает, что поступление СО 2 в атмосферу будет расти с той же скоростью, что и в настоящее время (техногенный выброс СО 2 удваивается каждые 50 лет). "Пессимистический" сценарий, предполагающий ускорение техногенного выброса СО 2 , нами не рассматривался. На основе рассмотренных сценариев роста техногенного выброса СО 2 были получены следующие оценки времени существования человеческой цивилизации: (Табл1.) Таблица 1.   Сценарии развития мировой энергетики Критическая стадия Парниковой катастрофы D Т = 50 0 С Терминальная стадия Парниковой катастрофы D Т = 150 0 С Оптимистический сценарий техногенный выброс СО 2 останется постоянным (первое удвоение концентрации СО 2 произойдет через 100 лет).     300 лет   6000 лет Реалистический сценарий техногенный выброс СО 2 будет расти теми же темпами, что и сегодня (удвоение концентрации СО 2 будет происходить каждые 50 лет).       100 лет   300 лет   Отметим, что учет тепловой инерции Мирового океана и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы, в силу относительно малых характерных времен этих процессов, не способен принципиально изменить приведенные оценки, хотя и несколько отдаляет времена катастрофических изменений климата Земли.   Роль природных (неантропогенных) источников СО 2. Показано, что природные (неантропогенные) источники поступления СО 2 в атмосферу могут существенно ускорить рост среднепланетарной температуры Земли. Среди таких источников особо следует выделить следующие:   Повышение температуры вод Мирового океана вслед за изменением среднепланетарной температуры Земли будет приводить к понижению растворимости углекислого газа (СО 2 ) в океанической воде. Излишек углекислого газа будет поступать в атмосферу. Поскольку в Мировом океане содержится примерно в 60 раз больше СО 2 , чем в современной атмосфере, то потенциально этот источник СО 2 представляет собой большую опасность. Еще большее количество связанного СО 2 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 СО 2 в атмосферу. Другим потенциально опасным природным источником СО 2 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 СО 2 (в результате окисления метана метан-окисляющими бактериями и непосредственного окисления в верхних слоях атмосферы)   Общим свойством вышеперечисленных потенциальных природных источников СО 2 является наличие сильной положительной обратной связи "температура - концентрация СО 2 ", что может привести к лавинообразному росту концентрации СО 2 в атмосфере даже при условии полного отказа от сжигания углеродсодержащего минерального топлива (уголь, нефть, газ). В сочетании с разрушением природных биосистем, участвующих в извлечении СО 2 из атмосферы, это может привести к необратимому изменению химического состава атмосферы и климата Земли (см. В этом случае физико-химические параметры на поверхности Земли будут близки к параметрам, существующим в настоящий момент на поверхности Венеры.   Повышение среднепланетарной температуры может спровоцировать наступление ледникового периода. Парадоксальным следствием глобального повышения температуры Земли может стать наступление "ледникового периода" на севере Евразии и Америки в самом недалеом будущем. Действительно, картина течений в Северной Атлантике  определяется соотношением плотностей вод Лабрадорского течения и течения Гольфстрим. Если холодные, но, при этом, более пресные воды Лабрадорского течения оказываются плотнее более теплых и соленых вод Гольфстрима, то формируется картина течений, характерная для межледниковья. Лабрадорское течение как бы подныривает под Гольфстрим (Рис.1. приложения 9), а Гольфстрим (Североатлантическое течение) беспрепятственно несет свои воды в Ледовитый океан, "обогревая" северные районы Евразии и Америки. Распреснение Ледовитого океана в результате таяния Гренландского ледника и общего увлажнения климата при повышении среднепланетарной температуры Земли может привести к еще большему распреснению вод Лабрадорского течения и снижению их плотности. Если плотность вод Лабрадорского течения станет ниже плотности вод Гольфстрима, то Лабрадорское течение поднимется на поверхность, перекрывая путь Гольфстриму на Север (Рис. 2. прилоения 9). Сформируется картина течений, характерная для ледниковых периодов. В результате подобной перестройки течений нарушается меридиональный перенос тепла между тропическими и полярными областями. На севере Евразии и Америки температура понизится, а в экваториальной зоне возрастет. Такое изменение климата может произойти довольно быстро (в течение 2-5 лет) и иметь катастрофические последствия для мировой экономики. В зоне оледенения окажутся многие промышленно развитые страны Европы и Америки, резко сократятся посевные площади под сельскохозяйственными культурами, возрастут расходы на отопление жилищ, а в некоторых районах возникнет необходимость эвакуации населения (десятки, а возможно, сотни миллионов человек). В тропической зоне, из-за увеличения среднегодовых температур, не исключено расширение существующих и образование новых засушливых территорий. Как уже указывалось выше, перестройка картины течений в Северной Атлантике произойдет в тот момент, когда плотность вод Лабрадорского течения станет ниже плотности вод Гольфстрима. Оценка времени наступления этого момента должна учитывать не только снижение плотности вод Лабрадорского течения в результате распреснения, но и снижение плотности вод Гольфстрима из-за повышения среднепланетарной температуры. Наболее вероятным наступление "ледникового периода" представляется в момент массированного таяния Гренландского ледника (через 25-100 лет), однако есть данные, что "ледниковый период" может наступить и в еще более недалеком будущем. Одним из следствий наступления нового "ледникового периода" будет резкий рост сжигания угля, нефти и газа для отопления жилищ, что может только ускорить начало терминальной стадии Парниковой катастрофы.   Современное состояние проблемы (2000 г.).   Подводя некоторый итог проделанной работе, можно сказать, что достигнут определенный уровень понимания общих тенденций изменения климата Земли в результате деятельности человека. Построена причинно-следственная модель взаимосвязи отдельных климатообразующих процессов. Даны оценки характерных времен развития климатических изменений и предложена периодизация этапов Парниковой катастрофы .   К сожалению, делается вывод о возможной реализации крайне неблагоприятного сценария изменения климата Земли в результате повышения концентрации СО 2 и других парниковых газов. В частности, этот вывод опирается на следующие утверждения: Явная недостаточность природных механизмов изъятия СО 2 из атмосферы Земли на фоне разрушения климатообразующих биоценозов (болота, тропические моря), а также продолжение сжигания минерального топлива не позволяет надеяться на самопроизвольную стабилизацию концентрации СО 2. Наличие в неживой природе потенциально опасных источников СО 2 (растворенный в океане СО 2 , карбонаты МеСО 3 в земной коре, метан-гидратные месторождения) и существование сильной положительной обратной связи "среднепланетарная температура - концентрация СО 2 " может вызвать лавинообразное увеличение концентрации СО 2 в атмосфере Земли даже при условии полного отказа от сжигания минерального топлива. Парниковый эффект (как это видно на примере Венеры) может привести к увеличению температуры Земли на несколько сотен градусов.     Актуальные научные задачи в рамках данного направления исследований.   Научной задачей исключительной важности представляется создание глобальной системы мониторинга изменения климата Земли. К сожалению, в настоящий момент имеется лишь два основных источника таких данных: во-первых, данные метеорологических наблюдений, для которых характерно наличие значительных методических и приборных погрешностей и ограниченный спектр наблюдаемых величин, и, во-вторых, данные собственно климатических наблюдений (например, обсерватория в Мауна-Луна (Гавайские о-ва), которые, впрочем как правило, географически разрознены и также не обеспечивают измерения необходимого спектра климатообразующих параметров. К числу таких климатообразующих параметров следует отнести: Традиционные метеорологические данные: температура воздуха, направление ветра, атмосферное давление, количество осадков. Температура земной поверхности, измеренная на глубине 1-2 метра для повышения точности и исключения случайных и быстропериодических факторов (суточный ход). Температура и соленость вод Мирового океана, скорость и направление океанических течений на различных глубинах. Химический и аэрозольный состав атмосферы. Состояние основных климатообразующих биоценозов и интенсивность связывания ими СО 2. Мониторирование техногенного воздействия на климатообразующие системы: выброс СО 2 , аэрозолей, загрязнение Мирового океана (пестициды, гербициды, нефтяная пленка и т.д.), уменьшение площади болот в результате осушения.   Получение достаточного массива данных об изменении во времени основных климатообразующих параметров позволит перейти к задаче построения количественной модели изменения климата Земли. Важными подзадачами здесь является количественное моделирование следующих процессов: повышение среднепланетарной температуры Земли в результате парникового эффекта с учетом аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы и тепловой инерции Мирового океана. рост концентрации СО 2 в атмосфере как с учетом антропогенных источников, так и с учетом существования естественных источников СО 2 и наличия сильной положительной обратной связи в системе "среднепланетарная температура - концентрация СО 2 " в неживой природе. формирование картины течений в Северной Атлантике с целью точного предсказания времени возможного наступления "ледникового периода". Важной задачей в рамках данного направления исследований является поиск наиболее эффективных способов воздействия на климат Земли с целью стабилизации среднепланетарной температуры Земли (и/или концентрации СО 2 в атмосфере). Следует отметить необходимость содействия работам в области возобновляемых источников энергии (солнечная, ветровая и гидроэнергия), получения углеводородного топлива из растительного сырья и бытовых отходов, повышения кпд тепловых двигателей, поскольку одним из наиболее вероятных шагов по предотвращению париковой катастрофы станет отказ от использования минеральных видов углеводородного топлива. Анализ рисков и оценка возможных масштабов материального ущерба для различных сценариев развития Парниковой катастрофы и характера принимаемых мер должны являться важной составной частью исследований в данной области. Нельзя не упомянуть здесь также исследования по анализу социально-политических аспектов данной проблемы.     Организационные задачи.   Парниковая катастрофа является беспрецедентной по своим возможным последствиям проблемой, стоящей перед человечеством. Впервые за всю историю существования жизнь на Земле оказалась под угрозой полного уничтожения, причем в не столь отдаленной исторической перспективе (300-1000 лет). Для предотвращения угрозы Парниковой катастрофы потребуются консолидированные усилия всего человечества, и в первую очередь, промышленно развитых стран.   Среди ближайших организационных задач отметим следующие: Формирование целевой национальной программы изучения основных климатообразующих процессов. Организация в рамках такой программы эффективного взаимодействия ученых самых различных специальностей для обеспечения междисциплинарного характера исследования научной проблемы. Информирование правительств и мировой общественности об опасности Парниковой катастрофы с целью привлечения общественного внимания к данной проблеме. Формирование благоприятной международной обстановки как необходимого условия предотвращения Парниковой катастрофы. Организация международного сотрудничества с целью мониторинга климатических изменений и выработки согласованной программы предотвращения угрозы Парниковой катастрофы.