Большой климатический спор

Нелла Шполянская • 27 марта 2016
Вечна ли вечная мерзлота? В чем особенность вечномерзлых пород? Она заключается в том, что из-за наличия в них льда характер грунтов резко меняется при изменении температуры.

    В конце мая в Москве работал семинар «Смягчение отрицательных последствий изменения климата в России и странах СНГ». Ученые, общественные деятели и работники министерств обсуждали, какими будут последствия климатических сдвигов и как следует к ним готовиться, чтобы повышение температуры не повлекло за собой катастрофических последствий. Предсказываются страшные последствия: массовое таяние наземных ледников, повышение уровня Мирового океана и затопление огромных пространств прибрежных равнинных государств, оттаивание вечной мерзлоты и т.д., и т.п. Последнее особенно актуально для России, поскольку почти 70 процентов ее территории занято вечной мерзлотой и именно на ней и протекает основная хозяйственная деятельность страны. Но так ли уж точно установлено, что нам грозит потепление? Доктор географических наук Н. Шполянская придерживается другого мнения.

    Вечна ли вечная мерзлота?

    В чем особенность вечномерзлых пород? Она заключается в том, что из-за наличия в них льда характер грунтов резко меняется при изменении температуры. При низких отрицательных температурах мерзлые грунты устойчивы и по прочности своей приближаются к скальным кристаллическим породам. Кроме того, они водонепроницаемы и обладают определенными изолирующими свойствами (например, в них можно изолировать радиоактивные и токсичные отходы). Однако при повышении температуры, даже при отрицательной, но близкой к нулю градусов, мерзлые грунты полностью теряют свою прочность, водонепроницаемость, изолирующие свойства. Грунты становятся переувлажненными и текучими и в большинстве случаев непригодными для какого бы то ни было использования. Поэтому представить себе, как в будущем будет меняться вечная мерзлота при ожидаемом потеплении климата, — первоочередная экологическая задача для России. От нее будет зависеть нормальная хозяйственная и бытовая жизнь людей.

    Сейчас широко обсуждается вопрос о влиянии на климат парниковых газов — углекислого газа, метана, фреонов и т.п. Именно с ними связывают нынешнее потепление климата. Эти представления стали фактически официальной точкой зрения. Строятся модели роста промышленных выбросов (примерно до середины XXI века, до 2050 года) и роста содержания в атмосфере парниковых газов. А из этого выводят величину повышения температуры воздуха.

    Однако так ли уж влияют промышленные парниковые газы на современный климат?

    «Век страшных зим» или «эпоха викингов»?

    К сегодняшнему дню накопилось большое количество исследований по динамике климата на протяжении геологической истории Земли, особенно для последнего миллиона лет. Выделены палеоклиматические ритмы, которые известный геолог из Санкт-Петербурга В.А. Зубаков предлагает разделить на три группы: длиннопериодные — длительностью в миллионы лет, среднепериодные — в тысячи, десятки и сотни тысяч лет и короткопериодные — в десятки и сотни лет. Построены кривые отклонения температуры воздуха от ее современных значений для самых разных отрезков времени в прошлом. Среднепериодные и короткопериодные колебания климата составляют сущность геологической истории плейстоцена — голоцена, то есть четвертичного периода. Эта ближайшая к нам по времени эпоха оказала наибольшее влияние на современную природу Земли и прослеживается в ней многими чертами.

    Наиболее заметные изменения климата происходят в связи со среднепериодными (примерно 35-40-тысячелетними) циклами. Среди них — две крупные эпохи, по времени ближайшие к нам. Первая — холодная эпоха позднего плейстоцена с минимумом 20 — 18 тысяч лет назад, когда температура воздуха понизилась на 7 — 10 градусов по сравнению с современной, весь арктический шельф был осушен и занят мощной, до тысячи метров глубины, вечной мерзлотой. Вторая — теплая эпоха голоцена с максимумом потепления 8 — 5 тысяч лет назад (период, известный как «эпоха климатического оптимума»). В эту эпоху арктический шельф снова был затоплен до современных границ, среднегодовая температура воздуха повысилась на 2 — 2,5 градуса по сравнению с современной. На севере Европейской России и Западной Сибири леса продвинулись к северу до 68 — 70 градусов северной широты, а площадь вечной мерзлоты резко сократилась.

    С XIII века снова началось похолодание, поселения в Гренландии постепенно были брошены колонистами. В XVI — XVIII веках наступил так называемый малый ледниковый период, средняя годовая температура воздуха понизилась на 1,5 — 2 градуса (по сравнению с современной), увеличился ареал морских льдов, разрастались горные ледники.

    С середины XIX века началось новое потепление, фиксируемое уже постоянными инструментальными наблюдениями. Эта восходящая ветвь осложнена еще более мелкими по амплитуде и длительности периода (примерно 30 лет) волнами.

    Геологические данные показывают, что и длинно-, и средне-, и короткопериодные климатические циклы наблюдались на протяжении всей истории Земли. Поэтому имеются достаточные основания считать, что колебательный характер изменения климата — это естественное свойство его развития и что оно сохранится и в будущем. Сохранится, по-видимому, и весь спектр климатических циклов. Отсюда важнейший вывод: по тому, как развивался климат в последние 10 тысяч лет, можно предположить, как он будет развиваться в некотором будущем.

    О причинах колебания климата специалисты спорят. Привлекаются геотектонические причины, например перестройка в расположении материков и океанов. Так, теплый климат в меловом периоде был обусловлен, как считается, дрейфом континентов, в результате которого практически все континенты располагались только в низких и умеренных широтах. Около этих континентов формировались теплые океанические течения, которые направлялись в сторону полюсов, проникали в высокие широты и прогревали там водные массы (подобно современному Гольфстриму).

    Сейчас все более популярной становится астрономическая концепция, опирающаяся на хронологическое соответствие между похолоданиями-потеплениями и циклическим изменением солнечной инсоляции. А солнечная инсоляция, в свою очередь, связана с циклическими изменениями орбитальных параметров Земли. Эта концепция была предложена югославским ученым М. Миланковичем еще в 1939 году, а начиная с шестидесятых годов она все больше подтверждалась фактическими наблюдениями и математическими расчетами. Она хорошо объясняет длинно- и среднепериодные циклы изменения климата.

    Короткопериодные циклы связывают с изменениями самой солнечной активности, которые происходят через «посредника» — магнитное поле Земли. Здесь наиболее четко выделяются 11-, 22-летние и вековые -80-110-летние циклы.

    Как вечная мерзлота реагирует на изменения климата?

    Конечно, вечная мерзлота реагирует на изменение климата, и связано это с проникновением колебаний температуры воздуха в горные породы. Глубина такого проникновения находится в прямой зависимости от длины и амплитуды периода колебаний. Так, потепление «климатического оптимума» в период от 5 до 8 тысяч лет назад изменило температурное поле мощной вечной мерзлоты, существовавшей со времени похолодания 20 — 18 тысяч лет назад, до глубины примерно 400 метров.

    В северных районах Западной Сибири и Европейского Севера, к югу от Полярного круга это привело к протаиванию вечномерзлых пород сверху до 100 — 200 метров. Ниже хотя и сохранилась толща мерзлых пород, но их температура повысилась почти до нуля градусов. Более мелкие циклы колебания температуры оказывали тем меньшее влияние, чем короче был их период и меньше амплитуда. Так, последовавшее за «оптимумом» похолодание, проявившееся между 2 и 4 тысячами лет назад  проникло на глубину лишь 130 — 150 метров. В Западной Сибири на широте Полярного круга существует двухслойная мерзлота, верхний слой которой начинается от поверхности земли и отвечает современному климату, а нижний (отделенный от верхнего стометровым слоем талых пород) является остатком древней мерзлоты, это так называемая реликтовая мерзлота.

    Итак, в естественном ходе эволюции температурное поле мерзлых пород полностью перестраивается, главным образом, в соответствии с крупными, 35-40-тысячелетними, циклами колебания температуры воздуха. Вечная мерзлота вслед за похолоданием нарастает и в глубину, и по площади распространения. Что касается коротких циклов, то они проникают лишь на небольшую глубину (не более 50 метров), в связи с ними ожидать больших изменений вечной мерзлоты, по-видимому, не следует.

    Какова же роль человека в изменении климата?

    Идея о том, что человеческая деятельность может изменить состав атмосферы и тем повлиять на климат, возникла во второй половине XIX века. Было высказано предположение, что возрастание в атмосфере углекислого газа должно привести к «парниковому» потеплению: этот газ пропускает видимые солнечные лучи, нагревающие земную поверхность, но задерживает значительную часть тепла, излучаемого Землей в открытый космос. Шведский ученый Сванте Аррениус рассчитал, что удвоение концентрации СО2 в атмосфере приведет к глобальному потеплению на 4 — 6 градусов.

    Новая вспышка интереса к этому вопросу относится к середине ХХ века, когда при проведении в 1956 — 1957 годах Международного геофизического года были получены данные, подтверждающие увеличение содержания в атмосфере углекислого газа. Выявилось возрастание содержания и других парниковых газов, таких как метан и хлорфторуглероды. К 1989 году был зафиксирован прирост газа на 20 процентов за последние сто с лишним лет. На основании этих представлений создано множество моделей будущего антропогенного потепления климата к середине XXI века, примерно к 2050 году. По расчетам М.И. Будыко, к середине XXI века концентрация углекислого газа возрастет примерно на четверть по сравнению с доиндустриальным временем, поэтому среднеглобальная температура воздуха должна повыситься на 1,3 градуса по сравнению с концом XIX века или на один градус по сравнению с началом ХХ века. Одновременно он принимает, что изменения температуры на разных широтах будут неодинаковы. Причина этого — шарообразность Земли, наличие холодного океана на севере, ледовый режим которого будет меняться, и связанные с этим особенности климатообразования. Поэтому в приэкваториальных районах изменения будут незначительны, в полярных — велики. Исходя из этих расчетов, М.И. Будыко выводит: если к середине XXI века глобальная температура воздуха повысится на один градус, то в зоне 60 — 80 градусов северной широты температура воздуха повысится на 2 — 4 градуса.

    Что будет дальше, никто не пишет. Однако, если предположить, что с такой же скоростью потепление будет развиваться и после середины XXI века (а реально рассчитывать на то, что технология производства может быстро и существенно измениться, по-видимому, трудно), то уже через 150 — 200 лет среднемноголетняя температура воздуха на этих широтах должна повыситься на 6 — 16 градусов по сравнению с современной. Такого потепления не отмечалось за последний миллион лет. Об этом свидетельствуют и палеонтологические данные, и растительные остатки в отложениях, и изотопно-кислородные данные (в частности, по скважине в Антарктиде, совсем недавно прошедшей всю толщу антарктического льда и осветившей климат за последние 420 тысяч лет), и многое другое. При этом, по расчетам, изменение температуры должно произойти всего за полвека, то есть в сотни раз быстрее, чем изменения, происходившие после ледникового периода.

    Такое потепление не может не оказаться для Земли катастрофическим: оно должно полностью изменить современную структуру природных условий, в частности нарушить природную зональность. Скорее всего, такой силой влияния на природу человек и его деятельность пока что не обладают. Известно, что поступающая на Землю суммарная солнечная радиация по крайней мере на три порядка превосходит всю производимую человечеством энергию.

    Надо сказать, что в литературе не прекращается дискуссия о реальности влияния СО2 на климат. Прежде всего, остается неизвестным соотношение между ростом выброса промышленностью «парниковых» газов, накоплением их в атмосфере и величиной потепления. Многие специалисты полагают, что почти весь выбрасываемый промышленностью углекислый газ поглощается водами океана, а значит, выводится из атмосферы. Существующие модели влияния парниковых газов на происходящее в последние десятилетия потепление дают завышенные результаты, намного превышающие реальный наблюдаемый рост температуры воздуха. В связи с этим появляются новые «уточняющие» численные модели с привлечением все новых факторов с уже обратным знаком влияния, например, сульфатные аэрозоли, понижающие температуру воздуха. Они поступают в атмосферу от сжигания окаменелого топлива и биомасс.

    Возникает парадокс. Сама идея «парникового эффекта» основана на отепляющем влиянии промышленных газов в атмосфере. В то же время, чтобы получить расчеты, близкие к реальному росту температуры воздуха, необходимо привлекать охлаждающие промышленные газы.

    Все это происходит потому, что исследователи пока не могут отделить изменения, которые вызваны накоплением в атмосфере промышленного углекислого газа, от естественных изменений. Американский ученый Роберт М. Уайт в своей статье «Большой климатический спор» прямо говорит, что ученые не могут ответить на вопрос, объясняется ли повышение глобальной температуры воздуха накоплением парниковых газов в атмосфере или это просто естественная флуктуация. Невиль Николс из Бюро Центра метеорологических исследований в Австралии, анализируя состояние проблемы, пишет, что, несмотря на очевидность изменения глобальной температуры воздуха в течение ХХ века, трудно установить причину этих изменений. Нет ясного свидетельства, что именно парниковый эффект является ведущим в изменении климата на данном этапе.

    Многие ученые полностью отрицают влияние на климат изменения содержания углекислого газа в атмосфере. В 1998 году группа американских ученых во главе с бывшим президентом Национальной академии наук США Фредериком Зеитцем обратилась к американскому правительству с петицией, в которой дается детальный анализ состояния современных исследований атмосферного СО2 и температуры воздуха и делается вывод, что повышение его содержания в течение ХХ столетия не оказало никакого влияния на глобальный климат и что «эмпирические свидетельства — фактические измерения температуры Земли — не показывают никакой искусственной тенденции потепления». Эти же авторы обращают внимание на то, что «в течение двух прошлых десятилетий, когда уровень СО2 был самым высоким, глобальная средняя температура несколько понизилась».

    О.Г. Сорохтин из Института океанологии Российской академии наук также отрицает возможность повышения температуры атмосферы Земли при увеличении в ней углекислого газа. Он разъясняет, что прогрев теплиц (по аналогии с которым и было введено понятие «парниковый эффект» атмосферы) происходит не за счет того, что стекло пропускает видимые лучи и задерживает инфракрасное излучение, а благодаря тому, что в теплицах из процесса теплообмена исключается конвективный механизм передачи тепла от почвы за пределы теплицы. Поскольку Земля окружена плотной атмосферой, то средняя температура ее поверхности тоже определяется преимущественно конвективными движениями воздушных масс в тропосфере. Смена современной азотно-кислородной атмосферы на углекислотную ничего в этом отношении не изменит. Более того, чем больше в атмосфере будет содержание СО2, тем больше будет поглощаться тепловое излучение Земли, тем интенсивнее станет конвективный обмен воздушных масс в тропосфере и тем быстрее из нее в стратосферу будут выноситься возникшие таким путем аномальные избытки тепла. Специальные расчеты приводят О.Г. Сорохтина к выводу, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу не изменяют осредненный тепловой режим Земли.

    Из всего этого следует, что существующие в настоящее время модели антропогенного изменения климата далеки от совершенства, сама проблема далека от своего решения.

    Не меньшие сложности обнаруживаются и с другим парниковым газом — озоном. Истощение в атмосфере озона и образование «озоновых дыр» привлекает постоянное внимание сторонников «антропогенного климата». Озоновый слой в атмосфере выполняет важную защитную функцию — защищает биосферу от вредной ультрафиолетовой радиации. Исчезновение озона может привести к непредсказуемым мутациям животного и растительного мира и даже к исчезновению жизни на Земле. Поэтому, когда с начала восьмидесятых годов стало наблюдаться глобальное истощение озонового слоя, общественность взволновалась. Считается, что наиболее сильным химическим разрушителем атмосферного озона является хлор. Промышленное производство фреонов, хлоркарбонов, галонов и других антропогенных компонентов может вызвать значительное увеличение хлорных составляющих в стратосфере. После обнаружения в 1987 году большой озоновой дыры над Антарктидой были приняты международные соглашения по ограничению и запрещению производства озоноразрушающих веществ. Однако глобального восстановления озонового слоя не происходит, несмотря на уменьшение объема фреонов в атмосфере. Больше того, появились данные, что наряду с глобальным уменьшением озона имеются районы, над которыми происходит увеличение его содержания. Так, в то время как над Западной Европой происходило истощение озонового слоя, над Лабрадором и севером Канады и даже вблизи Антарктики наблюдалось его увеличение. Огромная озоновая дыра над Антарктидой, обнаруженная в 1987 году, уже в 1988-м почти полностью исчезла. Возникает явное рассогласование между выводами и фактами. Поскольку рост антропогенных воздействий должен приводить только к уменьшению общего объема озона в стратосфере, то можно сказать одно: причиной изменений содержания озона в атмосфере не могут быть промышленные выбросы.

    Е.А. Жадин из Центральной аэрологической обсерватории на основании многолетних исследований приходит к выводу, что причиной колебаний содержания озона являются естественные природные факторы. Из них наиболее действенные — долгопериодные изменения циркуляции стратосферы, связанные с естественными изменениями в системе «океан — атмосфера».

    Ученые все большее значение придают взаимодействию между океаном и атмосферой. Еще в шестидесятые годы многих исследователей смущало в расчетах то, что неизвестна связь между ростом промышленных выбросов углекислого газа и накоплением его в атмосфере. На пути этой связи лежит океан, и многие специалисты полагают, что почти весь углекислый газ, выбрасываемый с промышленными отходами, поглощается водами океана. А значит, выводится из атмосферы. Больше того, океан и есть первопричина изменения содержания СО2 в атмосфере.

    Такого же мнения придерживается и В.А. Зубаков. Он приводит неоспоримые аргументы в пользу того, что изменения концентрации СО2 в атмосфере есть следствие воздействия океана.

    О.Г. Сорохтин отводит взаимодействию океан — атмосфера решающую роль и утверждает, что именно океан является первопричиной изменения содержания углекислого газа в атмосфере. Дело в том, что растворимость СО2 в океанических водах строго зависит от температуры воды. Чем ниже температура воды, тем больше в ней растворено СО2. В связи с этим имеет место постоянное равновесие между содержанием СО2 в атмосфере и содержанием его в гидросфере. Сейчас в океане растворено СО2 в 60 раз больше, чем его содержится в атмосфере. Если температура океанической воды изменится, то установится новое равновесие, при котором часть углекислого газа перейдет из океана в атмосферу (при потеплении и повышении температуры воды) и, наоборот, из атмосферы в океан (при похолодании и понижении температуры воды). Поэтому всегда потеплениям климата будет соответствовать увеличение содержания газа в атмосфере, а похолоданиям — уменьшение его содержания.

    В качестве свидетелей -природные компоненты

    Главный вопрос — природа современного потепления. Если потепление ХХ века является вековым циклом естественных колебаний климата, а потепление девяностых годов — тридцатилетней ветвью внутривекового цикла, то повышение температуры воздуха, а вслед за ней и температуры вечной мерзлоты должно вскоре приостановиться. Можно предположить, что современный тридцатилетний цикл потепления скорее всего находится на пике своего подъема — по метеостанциям Диксон, Норильск, Салехард, Туруханск уже видна намечающаяся остановка в росте температуры.

    Можно подвести итоги.

    Антропогенное влияние на климат и вечную мерзлоту через «парниковый эффект», так же как и прогноз их изменения в ближайшем будущем, опирающийся на эту модель, пока что не имеет достаточного подтверждения. Наблюдения за последние примерно семьдесят — сто лет (в пределах современного векового цикла) показывают, что прослеживается прямая связь между изменением температуры воздуха и изменением температуры верхних горизонтов грунтов. Какого бы то ни было влияния «парникового эффекта» на изменение температуры пород не прослеживается. Большой климатический спор нельзя считать завершенным. Он продолжается.