Доктор физико-математических наук Олег СОРОХТИН, Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН

С легкой руки шведского ученого Сванте Аррениуса, обнаружившего в 1896 г. эффект поглощения углекислым газом инфракрасного излучения, возникло убеждение: чем больше CO₂ в атмосфере планеты, тем теплее ее климат. Поэтому большинство экологов, а следом за ними и политиков, поверив в бесспорность данного утверждения, стали бороться с поступлением "вредного" компонента в газовую оболочку Земли. Однако не мешает проверить, верна ли привычная точка зрения.

ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА

В качестве обобщенной характеристики глобального климата Земли* выберем среднюю температуру ее поверхности (T_s), ныне равную 288,2 К, что соответствует примерно +15°С. Согласно классической точке зрения передача тепла в тропосфере осуществляется радиационным путем. Мы же будем исходить из того, что у планет с плотной атмосферой (p > 0,2 атм.) основной механизм данного процесса - конвективный массоперенос

* См.: Ю. Израэль. Грозит ли нам климатическая катастрофа? - Наука в России. 2004, N 4 (прим. ред.).

Распределение экспериментально определенных температур в атмосфере Земли (кривая 4) ив тропосфере Венеры (1 и 2) в сопоставлении с осредненными теоретическими распределениями (соответственно 5 и 3).

Баланс переноса тепла в тропосфере Земли.

воздуха. Тогда распределение температуры в тропосфере в целом подчиняется адиабатическому закону, а T_s зависит лишь от солнечной постоянной S, давления атмосферы p, угла прецессии ψ оси вращающейся планеты, ее альбедо A (подчеркнем: две последние величины влияют на поступление солнечной энергии к поверхности планеты) и от эффективного значения показателя адиабаты α, определяемого составом, влажностью тропосферы и свойствами парниковых газов поглощать тепловое излучение Солнца и Земли. Тогда легко рассчитать T= C*p^α, где C - константа, отражающая влияние A, S, ψ на температуру, α - функция мольного веса (μ) воздуха и его суммарной теплоемкости. Необходимо учесть и особенности преобразования солнечного излучения облачным покровом планеты, влияющим на формирование ее альбедо.

Значение теплоемкости у сухой и не поглощающей атмосферы (c_p) можно оценить по ее составу, а вклад влажности воздуха (c_w) и отмеченного выше действия парниковых газов (c_r) - по температуре планеты на уровне моря (T_s = 288,2 K) и ее эффективной температуре (T_e = 263,5 K)* с учетом существующего значения угла прецессии Земли** (ψ - 23,44°).

Приведу значения некоторых названных показателей, рассчитанные для земной тропосферы, чтобы стали очевидны не только их суммарное влияние на климат, но и вклад каждого из них: α = 0,1905, μ = 29, c_p = 0,2394 кал/г * K, c_r = 0,0306 кал/г * K, c_w = 0,0897, T_s = 288 K.

А теперь посмотрим, как отличаются цифры, полученные с помощью тех же выкладок для Венеры: α = 0,1726, μ = 43,2, c_p = 0,199 кал/г * K, c_r = 0,162, c_w = -0,1164 кал/г * K, T_s = 735,3 К. Наша количественная теория помогла выявить, что у тропосферы этой планеты c_w < 0, а, значит, в толще ее газовой оболочки (особенно в нижних и средних слоях) доминируют эндотермические (сопровождающиеся поглощением тепла) реакции диссоциации неких химических соединений - например, серной кислоты. На высотах же 40 - 50 и более 60 км c_w > 0, т. е. преобладают экзотермические (протекающие с выделением тепла) реакции образования веществ (серной кислоты) и конденсации влаги в облаках.

Для проверки корректности расчетов мы построили по ним графики распределения температуры в тропосферах Земли и Венеры. При этом использовали данные из отечественной литературы о современном составе и давлении атмосферы нашей планеты (на ее поверхности p_s =1 атм.) и аналогичные сведения о Вене-

* Эффективная температура - параметр, характеризующий светимость (полную мощность отраженного планетой излучения) (прим. авт.).

** Прецессия - в данном случае поворот оси вращения Земли под влиянием внешних моментов сил оси вращения Земли с периодом около 25750 лет, в результате чего меняются сезонные амплитуды интенсивности солнечного потока, падающего на ее Северное и Южное полушария (прим. авт.).

ре, полученные советскими и американскими зондами (впервые опубликованы в 1989 г.). Учли также углы прецессии обоих небесных тел.

В итоге наше исходное предположение о зависимости среднего распределения температуры в тропосфере планеты от солнечной постоянной, давления (массы) атмосферы, теплоемкости ее газового состава, отражательной способности данного небесного тела (альбедо) и угла прецессии подтвердилось. Причем теоретические значения поверхностной температуры (T_s) и у Венеры, и у Земли, составляющие соответственно 735 и 288 K, практически совпадают с эмпирическими - 735,3 и 288,2 K. Безусловно, это убедительно свидетельствует в пользу физической (адиабатической) теории климата нашей планеты, предложенной автором настоящей статьи, впервые обнародованной в 2001 г.

Напомним: тепло может "уходить" с поверхности Земли за счет конвекции, радиации и конденсации влаги в атмосфере. Если последняя абсолютно сухая и прозрачная, то его перенос воздушными массами к стратосфере осуществляется лишь за счет конвекции, и удельная энергия данного процесса составит E_p= 68,99 кал/см². Но обычно действуют и конденсация влаги в облаках (E_w= 25,85 кал/см²), и радиационная составляющая (E_r = 8,82 кал/см²). То есть вклад первого "пути" приблизительно равен 66,55%, второго - 24,94, на долю же "парниковых" газов приходится всего 8,51%.

Следует отметить: увеличение поглощения тепла в тропосфере упомянутыми газами приводит лишь к уменьшению показателя адиабаты а (как уже отмечалось, это - функция мольного веса воздуха и его суммарной теплоемкости). Кроме того, необходимо учитывать: углекислотная атмосфера плотнее, чем азотно-кислородная, поэтому уровни одинакового давления для них будут располагаться на разных высотах - для углекислотной атмосферы ниже, чем для азотно-кислородной.

Итак, мы приходим к парадоксальному на первый взгляд выводу: поглощение инфракрасного излучения в тропосфере не повышает, а, напротив, снижает ее температуру. И этому есть физическое объяснение. Вследствие поглощения теплового излучения Земли и Солнца парниковыми газами растет энергия колебаний молекул, соответственно увеличивается объем прогретого воздуха, он быстро поднимается к стратосфере, где избытки тепла теряются уже с радиационным излучением. На смену поднявшегося нагретого воздуха из верхних слоев тропосферы опускается охлажденный, в итоге общая температура даже несколько снижается.

Отсюда, в частности, следует, что рост содержания CO₂ должен способствовать ускорению конвективного массообмена атмосферных газов. И не исключено, что наблюдаемая в последние годы интенсификация синоптических процессов (но не повышение температуры) в тропосфере нашей планеты может быть связана именно с накоплением в ней антропогенной двуокиси углерода.

Теперь мысленно заменим углекислотную атмосферу Венеры на азотно-кислородную, но при том же

Изменение со временем угла прецессии Земли и ее средней поверхностной температуры под действием лунно-солнечных приливов асимметричного расположения континентов.

давлении 90,9 атм. По аналогии с вышеизложенным ее поверхностная температура повысится с 735,3 до 793,4 К, или с 462 до 520 °C.

Выходит, общепринятые представления о потеплении земного климата за счет накопления в атмосфере антропогенного CO₂ - миф.

Существуют и прямые свидетельства того, что изменения парциального давления двуокиси углерода в атмосфере - не причина изменения климата, а его следствие. Так, на станции Восток в Антарктиде во время бурения толщи ледникового покрова* измеряли содержание углекислого газа в пузырьках "запечатанного" здесь когда-то воздуха и средние температуры испарения океанической воды, породившей этот панцирь. Последние определяли по изотопным сдвигам кислорода и дейтерия δ¹⁸O и δ²D. Оказалось, на протяжении изученных 420 тыс. лет между колебаниями температуры воздуха и изменениями концентрации CO₂ наблюдалась прямая корреляция, причем "скачки" в содержании углекислого газа "отставали" на 500 - 600 лет от изменения температуры. Кстати, за такой период времени полностью перемешивается верхний, деятельный слой Мирового океана.

ПРИРОДА ЛЕДНИКОВЫХ ЭПОХ ПЛЕЙСТОЦЕНА

Но как можно проверить предложенную физическую теорию парникового эффекта? Например, сравнив геологические свидетельства климатических колебаний во время наступления ледниковых эпох четвертичного периода с теоретическими расчетами.

Известно, что форма Земли весьма близка к эллипсоиду вращения жидкого тела, обладающего инерционным экваториальным вздутием: ведь под действием центробежных сил вещество как бы "перетекает" от полюсов к экватору, радиус которого (R_e = 6378,2 км) превышает полярный (R_p = 6356,8 км) на 21,4 км, отчего именно здесь сосредоточены значительные избыточные массы, способные гравитационно взаимодействовать с иными небесными телами. Главную роль в уменьшении утла прецессии Земли играют Луна и Солнце. Связано это с тем, что Луна притягивает обращенную к ней сторону нашей планеты сильнее, чем противоположную в силу более близкого расстояния.

* См.: А. Ю. Авсюк. В стихии льда. - Наука в России. 2006, N 3 (прим. ред.)

A - график средней температуры вод Мирового океана (эмпирические данные),

B - кривая изменений средней температуры Земли в позднем плейстоцене (теоретический расчет).

Колебания температур обусловлены:

1 - изменениями угла прецессии Земли;

2, 3 - циклами Миланковича;

4 - суммарным действием всех причин.

Теоретический температурный прогноз климата на следующие 120 тыс. лет (затемненная часть графика).

То есть в лунные ночи ее влияние возрастает. Аналогично этому воздействие Солнца днем значительнее, чем ночью.

Исходя из того, что Земля вращается по принципу свободных гироскопов (т.е. тел, не испытывающих при таком движении сил трения), мы провели ряд расчетов и показали: современная скорость поворота нашей планеты в сторону уменьшения угла прецессии составляет приблизительно 4,83 · 10^-12 рад/с, или 1,53·- 10^-4 рад/год. Постепенно она замедляется. Зная ее точное значение при постоянной светимости Солнца и прочих параметров земной атмосферы, можно вычислить и теоретические изменения температуры земной тропосферы.

По мере похолодания климата и снижения средних температур приблизительно до 9 - 10 °C (против современных 15 °С) приполярные континенты начинают постепенно покрываться льдом, что в свою очередь приводит к нарушению осевой симметрии Земли, и ее вращение становится неустойчивым. Однако влияние расположенного на Южном полюсе материка Антарктиды с почти симметричной формой оказывается незначительным. Во время последнего, вюрмского, оледенения (70 - 11 тыс. лет назад) центр тяжести северного "панциря", весившего тогда около 2 · 10²² г, располагался над Канадой на широте около 70° с.ш., т. е. приблизительно в 2200 км от Северного полюса. Причем момент дополнительных сил, приложенных к Земле и стремящихся ее повернуть к большим значениям угла прецессии, составлял 5,1 · 10³⁰ г·см²/с². Отсюда по принципу движения свободных гироскопов время увеличения ψ до исходного значения, потепления и таяния ледника равнялось приблизительно 2500 лет.

Конечно, мы получили лишь приближенную оценку, позволяющую рассчитать время, необходимое для потепления климата и деградации оледенений - порядка нескольких тысяч лет. Но она совпадает с мнением академика Владимира Котлякова*, утверждающего: "распад гигантского плейстоценового оледенения в Северном полушарии произошел геологически очень быстро - всего за несколько тысяч лет".

Для теоретического расчета изменений климата необходимо учитывать и влияние на него прецессии орбиты

*См.: В. Котляков. Прошлое и будущее окружающей среды: свидетельствует гляциология. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

Поверхностные температуры Саргассоваморя (с осреднением около 50 лет; по Кегвину, 1996). Пунктирной линией отмечен температурный тренд около 3,3 · 10^-4 град/год.

Земли при ее обращении вокруг Солнца - так называемые циклы Миланковича*. Главные гармоники последних характеризуются периодами около 41 и 26 тыс. лет, в ходе которых имели место температурные колебания, приблизительно равные ±2 - ±3 "С. С учетом этих данных мы построили кривую изменений средней температуры Земли в позднем плейстоцене (критическое значение принималось за T ~ 10 °C) и сопоставили ее со сведениями о средней температуре вод Мирового океана, измеренной, как упоминалось, по изотопам дейтерия в толще антарктического льда. Основываясь на совпадениях теории и экспериментального материала, можно попытаться прогнозировать будущее климата.

Итак, в результате лунно-солнечных приливных связей с Землей на нашей планете в плейстоцене периодически наступали медленные похолодания на 8 - 10°С, продолжавшиеся приблизительно 100 - 120 тыс. лет. Но после образования на северных континентах мощных ледниковых покровов в течение нескольких тысяч лет наступало потепление на те же 8 - 10 °C, и они быстро деградировали. Следовательно, взаимодействия Луны с Землей в сочетании с оледенениями последней возбуждают нелинейные автоколебательные климатические процессы, столь характерные для всего позднего плейстоцена. И в будущем нас также ждет лишь похолодание, быть может, наиболее значительное из всех ныне известных.

Еще один важный фактор. За 4 млрд. лет геологической истории Земли на фоне возрастающей светимости Солнца происходило закономерное похолодание климата от архейской эпохи со средними температурами около +70 °C до наших дней - T = 15 °C. Причина - в снижении атмосферного давления с 4,5 атм. до сегодняшней 1 атм. благодаря жизнедеятельности азот-фиксирующих бактерий, начиная с протерозоя переводящих N₂ из газовой оболочки планеты в осадочные породы.

Кроме того, наша планета постепенно удаляется от светила в связи с их приливными взаимодействиями, причем плавное увеличение светимости Солнца не компенсирует снижения температуры на Земле. Впрочем, относительно кратковременные (с периодами менее 1500 лет) колебания солнечной активности все же играют заметную роль.

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И КЛИМАТ ЗЕМЛИ

О колебательных изменениях климата при его общем и закономерном похолодании за последние тысячелетия свидетельствуют и геологические данные. Так, по изотопным сдвигам кислорода в остатках планктонных фораминифер и других микроорганизмов Саргассова моря видно: на протяжении последних 3 тыс. лет температура его поверхностных вод постоянно снижалась, хотя на этом фоне наблюдались и ее достаточно большие кратковременные повышения-понижения.

Теоретическое уменьшение осредненной температуры Земли в настоящее время приблизительно совпадает с эмпирическим трендом и составляет 0,3 °C за 1000 лет. Мы живем вблизи "вершины" очередного, но не самого значительного потепления, начавшегося еще в XVII в., когда не было техногенных выбросов углекислого газа в атмосферу. С 1749 г. в Южной Англии ведут инструментальные наблюдения за температурой, с 1750-х годов во Франции - за магнитной активностью Солнца. Американский ученый Артур Робинсон с коллегами в 2007 г. показал: кривая температуры воздуха абсолютно не коррелируется с графиком накопления антропогенного CO₂, но "следует" за колебаниями солнечной активности. Учитывая, что продолжительность таких "циклов" составляет приблизительно 60 лет, а последний начался около 1970 г., можно ожидать следующего похолодания в ближайшие 20 - 30 лет.

В связи со сказанным отметим: колебания активности Солнца и температуры арктического региона хорошо объясняют и накопление снега во внутренних районах Антарктиды. Автору статьи посчастливилось побывать здесь на Полюсе недоступности (82.1° ю.ш. и 55° в.д.) в 1958 и в конце 1963 г., т. е. в эпоху наименьшей светимости Солнца. За 5 лет там практически не было осадков, сохранились даже следы первого нашего посещения. А в 2008 г. сюда прибыла международная экспедиция, обнаружившая, что засыпана даже

* Циклы Миланковича (названы в честь сербского астрофизика Милутина Миланковича; 1879 - 1958) - происходящие на протяжении длительного времени колебания солнечной инсоляции Земли (прим. авт.).

Корреляция приземной температуры в арктическом регионе с солнечной активностью (по Робинсону, 2007).

часть буровой вышки, использовавшейся при проведении сейсмических работ по определению мощности ледникового панциря. В общей сложности толщина снежного покрова за 44 года увеличилась приблизительно на 4 - 5 м.

Конец 1950-х - начало 1960-х годов приходятся на период локального похолодания климата и связанных с ним антициклонических и бесснежных условий в центральной Антарктиде. Начиная с 1970-х заметно повысилась солнечная активность и температура тропосферы. Реакцией на это стало увеличение испарений воды в океанах и усиление синоптической подвижности нижних слоев атмосферы. Насыщенные влагой воздушные массы начали проникать во внутренние районы материка и там, в том числе на Полюсе недоступности, стал быстро накапливаться снег. С годами он уплотняется, становясь частью ледникового покрова. Выходит, мощность последнего в Антарктиде в последние десятилетия росла вопреки звучащим со многих высоких трибун утверждениям о его таянии. А значит, не следует ожидать и предрекаемого сторонниками гипотезы о глобальном потеплении катастрофического повышения уровня Мирового океана. Оно, напротив, очень медленное - порядка миллиметров в год, что связано отнюдь не с преобразованием климата, а с гляциоизостатическим подъемом побережий Канады и Фенноскандии и краевых частей океана после завершения около 10 тыс. лет назад последней фазы вюрмского оледенения: эти огромные участки суши ныне как бы распрямляются, сбрасывая былой гнет* (в частности, Фенноскандия - около 1 см в год).

Приведенные данные, по нашему мнению, доказывают: помимо прецессионных изменений климата в плейстоцене, его последнее тридцатилетнее потепление было вызвано только усилением солнечной активности. А повышение парциального давления углекислого газа к этому не имело никакого отношения. Если же учесть, что доминирующий период колебаний солнечной активности приблизительно равен 60 годам, то можно заключить: похолодание уже идет или вот-вот начнется. И через следующие 30 лет наступит весьма заметное (на 1 - 1,5 °C) снижение поверхностной температуры Земли (во всяком случае, в Северном полушарии).

О КИОТСКОМ ПРОТОКОЛЕ

Итак, многочисленные "классические" модельные прогнозы климатических изменений, связанных с накоплением антропогенных "парниковых" газов (особенно углекислого), как правило, базируются на интуитивных соображениях: сегодня не существует ни одного достоверного факта, доказывающего, что эти газы играют приписываемую им роль. Сторонники популярной версии путают причину со следствием, указывая на наблюдаемую в конце XX - начале XXI в. корреляцию потепления климата и повышения парциального давления двуокиси углерода в атмосфере. В действительности по мере роста температуры начинает дегазироваться CO₂, растворенный в океанах, - его здесь в 90 раз больше, чем в воздушной оболочке Земли, и добавление в последние десятилетия еще и антропогенных порций данного газа в принципе ничего не меняет. Между тем, как отмечают многие ученые**, в частности, Робинсон, увеличение концентрации CO₂ идет на пользу растениям, для которых это, по сути, - хлеб насущный.

Именно поэтому Киотский протокол (1997 г.) не имеет научного обоснования, о чем официально заявила РАН осенью 2004 г., однако наша страна все же его подписала. Сейчас в средствах массовой информации звучат всевозможные псевдонаучные прогнозы о резком потеплении климата, затоплении многих прибрежных городов и даже о вселенской катастрофе из-за резкого повышения уровня Мирового океана при дальнейшем росте парциального давления углекислого газа. Между тем, напротив, надо готовиться к наступающему похолоданию, являющемуся предвестником грядущего ледникового периода.

* См.: О. Сиротенко, В. Романенков. Климат и эволюция биосферы: Россия XX-XXI вв. - Наука в России, 2007, N 6 (прим. ред.).

** См.: О. Корсакова. Кольский полуостров в голоцене. - Наука в России, 2009, N 6 (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: