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?



Давайте с вами поиграем. Притворимся, что:

• Мы никогда не слышали об этой проблеме,
• Мы никогда не слышали чужих мнений на этот счёт – политических, научных, любых других,
• Мы не принимаем во внимание никакие другие соображения (политические, экономические, экологические),
• Нас интересуют ровно два момента: нагревается ли Земля, и имеют ли люди к этому отношение.

Пост будет большой, но чтобы докопаться до правды, нужно время. Так что потратим это время и сделаем всё правильно, согласно современным научным представлениям.

Поехали!



Это Солнце. С очень хорошим приближением можно сказать, что это источник большей части энергии, поддерживающей температуру не только Земли, но и всех планет на уровне выше нескольких кельвинов. (Я буду использовать кельвины, но в скобках указывать градусы цельсия и фаренгейта: -270 °C / -455 °F).

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.

Что насчёт Венеры?



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?



Если сравнить два этих мира, мы найдём четыре больших различия:

1. Меркурий сильно меньше Венеры,
2. Меркурий в два раза ближе к Солнцу,
3. Отражающая способность Меркурия гораздо меньше,
4. У Меркурия нет атмосферы, а у Венеры она очень плотная.

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.



Если бы не атмосфера – если бы наша планета была больше похожей на Луну или Меркурий – типичная температура была бы в районе 255 К (-18 °C / 0 °F), или гораздо ниже точки замерзания. Наш мир не замёрзший: облачное покрытие, водяные пары, метан и диоксид углерода, вместе с другими газами, поддерживают его температуру на 33 °C (59 °F) выше.



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).

Всё это: водяной пар, метан, диоксид углерода, любой газ, поглощающий инфракрасное излучение, работает как одеяло. И если мы увеличим (или уменьшим) содержание этих газов в атмосфере планеты, это будет сродни увеличению (или уменьшению) толщины одеяла, которым накрыта планета. Это тоже открыл Аррениус больше ста лет назад.



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.