Геолог объясняет, что изменение климата не ограничивается простым ростом среднего уровня моря по всей планете
Джерри Митровица [Jerry Mitrovica] уже несколько десятилетий занимается опровержением общепринятых мнений. Как специалист по геофизике из Гарварда, он изучает внутреннюю структуру Земли и идущие в ней процессы, влияющие на такие области, как климатология, миграция человечества и даже поиск жизни на других планетах. На заре карьеры он с коллегами продемонстрировал, что тектонические плиты Земли двигаются не только из стороны в сторону, что приводит к дрейфу континентов, но и вверх и вниз. Перенаправив внимание с горизонтали современной геофизики на вертикаль, он помог обнаружить то, что сам называет постмодернистской геофизикой. Недавно Митровица возродил и вдохнул новую жизнь в старые идеи о факторах, серьёзно меняющих уровень моря, последствия которых очень важны для изучения изменения климата по состоянию ледников и ледяных щитов.
Мы встретились с Митровицей в его просторном офисе недалеко от знаменитой гарвардской коллекции минералов. Хотя у него есть большой опыт публичных выступлений и множество наград, в обычной обстановке он говорит мягко и отвергает комплименты. Он часто говорит о том, как его коллеги, аспиранты и учителя вдохновили его на работу и внесли в неё свои вклады.
Это может показаться контринтуитивным, но таяние ледников может привести к падению уровня моря в одном месте и к росту в другом, более отдалённом.
В некоторых ваших недавних работах исследуется притяжение океанской воды и ледниковых щитов. Это неожиданно.
Это просто закон притяжения Ньютона в применении к Земле. Ледяной щит, как Солнце и Луна, оказывает гравитационное притяжение на окружающую его воду. В этом нет никаких сомнений.
Что происходит, когда тает большой ледник вроде ледяного щита Гренландии?
Происходят три вещи. Первое – вся эта растаявшая вода оказывается в океане. Поэтому общая масса океана определённо будет расти, если ледяные щиты будут таять – как это происходит сегодня. Второе – гравитационное притяжение, оказываемое ледяным щитом на окружающие воды, уменьшается. В результате вода отходит от ледяного щита. Третье – с таянием льда земля под ним повышается; происходит отдача.
Каково же совместное влияние таяния ледяного щита, потока воды и уменьшения гравитации?
Влияние гравитации велико. Когда ледяной щит тает, вблизи его уровень моря падает. Это не интуитивно. Вопрос в том, как далеко надо отойти от ледяного щита, чтобы эффекты уменьшения гравитации и повышения коры стали настолько малыми, чтобы уровень моря начал расти? Это тоже не интуитивно. Это порядка 2000 км от ледяного щита. Поэтому, если бы лёд Гренландии завтра исчез, то уровень моря в Исландии, Ньюфаундленде, Швеции, Норвегии – а все они находятся внутри радиуса 2000 км от Гренландии – упал бы. На берегу Гренландии падение могло составить бы 30-50 м. Но чем дальше от Гренландии, тем сильнее расплата. Если ледяной щит Гренландии растает, уровень моря в южном полушарии увеличится на 30% больше, чем в среднем. Это немало.
Что произойдёт после таяния льда в Антарктике?
Если растает ледяной щит Антарктики, то близко к ней уровень моря понизится. Но он вырастет больше, чем можно было ожидать, в северном полушарии. Эта схема известна под названием следов уровня моря, поскольку у каждого ледяного щита своя геометрия. Гренландия даёт одну геометрию изменения уровня моря, а Антарктика – другую. У горных ледников свои следы. Это объясняет переменчивость уровня моря. А ещё это важная возможность. Если кто-то отрицает изменение климата из-за географических вариаций изменения уровня моря – то есть, он не растёт везде одинаково – вы можете сказать: «Это не так, поскольку тающие ледяные щиты дают географически переменное изменение уровня моря». Эту изменчивость можно использовать, чтобы подсчитать, сколько процентов идёт от Гренландии, сколько от Антарктики, сколько от горных ледников. Можно определить источник таяния. И это важный аргумент с точки зрения общественного риска.
Почему источник таяния так важен?
Если вы живёте на восточном побережье США или в Голландии, вам не нужно беспокоиться о том, куда идёт общемировой уровень моря. Несколько лет назад я был в Голландии, и пытался убедить местных, что им нужно меньше беспокоиться о таянии ледяного щита в Гренландии, чем в Антарктиде. Но это не воспринимается. Когда я выступаю с лекциями, люди просто качают головой. Они не верят, когда я показываю эти круги вокруг тающего ледяного щита Гренландии, обозначающие ту область, в которой уровень моря понизится. Наша интуиция основана на прогулках по берегу или использовании водопроводных кранов. Она не построена на размышлениях о том, что произойдёт при таянии одного из главных ледяных щитов.
Тающий ледяной щит влияет на уровень моря двояко. Уменьшение гравитационного притяжения понижает уровень моря рядом со щитом. В то же время, вода, стекающая в океан, поднимает его. Так что, если бы ледяной щит Гренландии упал бы в море, растаявшая вода сильно подняла бы уровень моря. Но близлежащие страны зафиксировали бы падение уровня.
Почему вы уверены в том, что ледники планеты, включая полярные шапки, будут продолжать таять?
Один из способов понять, куда движется наш разогревающийся мир – прогнать климатическую модель. Другой – заглянуть в прошлое и спросить, что делали ледяные щиты в прошлый раз, когда температура была такой же или чуть повыше. Сейчас мы находимся в тёплом промежуточном периоде между ледниковыми циклами. Если бы люди не разогревали климат, Земля должна была бы готовиться ко входу в очередной ледниковый период в будущем. Последний межледниковый период перед этим был около 120 000 лет назад. Конечно, 120 000 лет назад люди не оказывали никакого влияния на климат. Это была естественная переменчивость климата.
Как повели себя ледяные щиты в последний раз, когда климат был таким тёплым?
В последний раз, когда было так же тепло, как сейчас, ледяные щиты, которые мы считаем стабильными, исчезли, хотя и не быстро. Так почему же мы будем ожидать чего-то другого в следующие несколько сотен или тысяч лет? Нет причин для этого, если только мы не сделаем что-либо, чтобы обратить процесс вспять.
Ладно, допустим, мы ожидаем, что потепление растопит ледяные щиты и поднимет уровень моря. Но где доказательства, что мы наблюдаем этот процесс сегодня?
Среднее изменение уровня моря в XX веке составляло 1,2 мм в год. За последние 20 лет мы видим среднее изменение в 3 мм в год – это увеличение в 2,5 раза относительно XX века. Весьма неплохой аргумент для скептиков, утверждающих, что ничего не меняется или ничего не становится хуже. Уже стало хуже. А если заглянуть на тысячи лет в прошлое, вы найдёте множество удобных инструментов. Записи затмений, или римские аквариумы.
Что римские аквариумы могут рассказать нам об уровне моря?
Во времена Октавиана Августа богатые римляне строили резервуары для рыбы. Рыбаки приходили с уловом, и размещали его там, чтобы рыба была свежей, когда её собирались съесть – римляне хотели сохранить рыбу живой несколько дней или недель. Римляне были инженерами, поэтому они строили эти резервуары в очень точном соответствии с уровнем моря. Нужно, чтобы стенки были не очень низкими, потому что во время прилива рыба сможет уплыть, и не очень высокими, чтобы волны обновляли воду в аквариумах.
Курт Ламбек, профессор из Австралийского национального университета, понял, что изучая сегодняшний уровень моря по сравнению с высотой стен этих аквариумов, можно сказать, как уровень моря изменился за последние 2500 лет. Если бы уровень моря в последние 2500 лет повышался бы со скоростью, с которой он повышался в XX веке, эти аквариумы оказались бы в 4 метрах под водой – и могу вас уверить, что это не так. Их можно видеть. Можно погулять по берегу, и их оттуда видно. Это говорит о том, что уровень моря не мог подниматься с такой скоростью, которую мы видели в XX веке, долгое время. Уровень моря за последние 2500 лет не поднялся так сильно, как за XX век.
А что Вавилонские записи о затмениях 2500 летней давности могут сказать нам об изменениях климата?
Можно изучить эти записи и сказать точно, в какой момент затмение было зарегистрировано в Вавилоне. Потом можно сделать подсчёты и сказать, когда это затмение должно было бы произойти, если бы сегодняшняя скорость вращения Земли не менялась бы с того момента. И это можно сделать для греческих, арабских, вавилонских, китайских записях о затмениях – как сделал британский профессор Ф. Ричард Стивенсон. Он построил таблицу, как и другие учёные до него, с большим набором подобных затмений, и показал чётко видимое замедление скорости вращения Земли за последние несколько тысяч лет. Допустим, 2500 лет назад вы синхронизировали двое часов. Одни отсчитывали время точно, а другие были соединены с Землёй, замедляющей вращение. За 2500 лет они рассинхронизировались бы на 4 часа. Вот такое это замедление. Поэтому мы знаем, что скорость вращения Земли замедлялась за последние 2500 лет. Но мы бы предсказывали не замедление Земли.
А почему вообще вращение Земли должно замедляться?
Я недавно опубликовал в журнале Science Advances работу по поводу "загадки Мунка". Мы показали, что это происходит из-за трёх различных причин. Одна – «приливное рассеяние». Приливы бьются о побережье, рассеивая энергию, и по множеству причин замедляют вращение Земли. Ещё одна причина – довольно тонкое взаимодействие между железным ядром и скалистой мантией Земли, работающее на замедление скорости вращения, которое мы наблюдаем, находясь на поверхности планеты.
Это что-то вроде трения жидкости в коробке передач автомобиля? Связано ли это с вязким взаимодействием внутренней и внешней частей планеты?
Это не трение, но очень близко к тому. Дело в том, что у нас одна жидкость движется вокруг другой жидкости, только с другой скоростью. Если они рассинхронизированы, их скорости влияют друг на друга. Но, да, вы верно говорите, что связь между ними есть.
Вот это второй эффект. Есть бьющие о берег приливы, и то, что геофизики называют спариванием ядра и мантии. Оба эффекта можно предсказать довольно точно, но остаётся ещё один фактор – он связан с ледниковым периодом, и мы его тоже моделируем. То есть, у нас получается приливное рассеяние, спаривание ядра и коры, и добавляем эффект ледникового периода, по которому я выступаю экспертом. И, поглядите-ка: складываем все три этих эффекта вместе, и вычисляем ровно то четырёхчасовое замедление, которое мы получили в реальности.
Что такое эффект ледникового периода?
Земля становится более близкой к сфере. 20 000 лет назад на полюсах было гораздо больше льда. Когда на полюсах есть ледяные шапки, они сдавливают Землю с обоих полюсов, и она расплющивается. Когда шапки растаяли, сплюснутая планета стала восстанавливать форму, становиться более близкой к сфере, поэтому наша скорость вращения должна увеличиваться – как у балерины, или у фигуриста. Коррекция со стороны ледникового периода обеспечивает увеличение скорости вращения.
Получается, три этих фактора – спаривание ядра и мантии, восстановление полюсов после льда и приливное рассеивание – объясняют изменения в скорости Земли до XX века. Что происходит сегодня?
Нужно взять ту же самую модель ледникового периода и скорректировать с учётом вращения Земли в XX веке. Проделав это, мы получаем разницу, которую пока не можем объяснить. Поэтому мы говорим – ну, возможно, это происходит из-за таяния полярных шапок или ледников.
Нужно взять последний отчёт межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), и посмотреть на расчёты по таянию горных ледников. Они говорят о том, что в XX веке ледяные щиты особенно не изменялись. Они начали активно таять только в последние 20 лет, однако ледники в принципе исчезали в течение всего XX века. Мы берём расчёты по таянию у МГЭИК, подсчитываем их влияние на вращение – они должны замедлять вращение Земли, как в примере с фигуристом – и сравниваем их с наблюдениями, подправленными с учётом ледникового периода.
Получается так, что вода стекает с ледников, и замедляет вращение Земли, как если бы фигурист расставлял руки в стороны?
Да. Ледники в основном находятся рядом с осью. Они расположены близ Северного и Южного полюсов, а большая часть океанской воды – нет. Иначе говоря, берём ледники на высоких широтах, вроде Аляски и Патагонии, растапливаем, распределяем по планете. В целом получается стекание воды к экватору, поскольку материал с полюсов перемещается в океаны.
То есть, таяние ледников и полярных шапок перемещает массу воды к экватору?
Да. Конечно, океан везде есть, но если перемещать лёд с высоких широт в океан, вы добавляете массы на экваторе и забираете её с полярных областей, и это должно замедлять вращение. Мы провели такие расчёты. Мы также подсчитали, как эти ледники будут влиять на ориентацию полюсов. В обоих случаях, наши расчёты в точности совпадают с астрономическими и спутниковыми наблюдениями с поправками на ледниковый период.
В недавней работе мы продемонстрировали, что у современных данных по вращению после коррекции на ледниковый период остаётся одно несоответствие, и оно именно такое, каким должно быть, если верить мнению учёных по поводу того, как таял лёд в XX веке.
С учётом такого количества этапов, вообще удивительно, что расчёты сошлись.
Это полностью иной способ демонстрации таяния ледяных щитов. И очень хороший, поскольку если посмотреть на Гренландию, и сказать: «О, в южном секторе лёд тает, видно уменьшение его количества», то неизвестно, что происходит в северном. Не получается построить хорошую целостную картину всего ледяного щита Гренландии. Но вращению всё равно, юг там или север, оно зависит только от того, сколько массы перемещается из Гренландии в океаны. Поэтому вращение даёт, как говорят учёные, элегантную интегральную меру баланса масс полярных ледяных шапок.
Что вдохновило вас на путь учёного?
У меня в семье по поводу истории эпохи Возрождения всегда было больше разговоров, чем по поводу науки. Я – единственный учёный в семье. Я занялся инженерными науками, программой инженерной физики. На третьем курсе я прослушал курс по тектонике плит, и подумал: «Вот это да!» И моей первой работой – это была идея моего куратора – была статья о причинах затопления западной части Северной Америки в период от 50 до 80 млн лет назад. Это было очень интересно. Учишься в институте, и уже публикуешь работу, объясняющую, почему Северная Америка была под водой, точнее, её западная часть.
И почему же?
Некоторые говорят, что всё из-за льда, из-за изменения его объёмов. Чаще люди считают, что это связано с изменениями скорости возникновения тектонических плит. Но в моей работе, которую я писал с коллегами, мы показали, что такое затопление континентов обычно происходит не из-за изменения уровня моря. Это результат вертикального движения континента, реакция на те силы, что управляют тектоникой плит, и перемещают континенты вверх и вниз.
Многие результаты ваших работ кажутся абстрактными и контринтуитивными. Это случайно получилось?
В нашей науке есть множество интересных проблем, которые можно увидеть своими глазами. Но глаза могут обманывать. Ричард Фейнман, великий физик, иногда начинал свои лекции по физике, демонстрируя, как много всего можно сделать на одной интуиции. Они могли делать какие-то вещи чисто интуитивно, и получать примерно верный ответ. А затем он давал им несколько контринтуитивных примеров. И говорил: «Вот, зачем нужна физика. Нужно понимать, когда ваша интуиция может не сработать». Я – последователь Фейнмана. Некоторые вещи можно объяснить, но учёный всегда будет сталкиваться с вещами, не соответствующими интуиции. Исходя из повседневного опыта пользования ванны, вы не поймёте, что уровень воды рядом с ледниками понижается. Нужно привлекать нечто большее; в этом случае – второй затон тяготения Ньютона. Нужно привлекать физику, а иначе это никогда не объяснить.
Как к вам приходят неожиданные догадки?
Думаю, некоторые учёные со мной не согласятся, но я считаю, что нужно просто давать себе время подумать. Учёному нужно иметь какую-то возможность обдумать имеющиеся факты. Я очень рекомендую своим студентам обзаводиться какими-то другими интересами, поскольку лучший способ освободить время на раздумья – это сделать перерыв в науке. У меня бывало такое, что в моих моделях я видел нечто, чего не встречал ранее, и думал: «Ну, хороший учёный этого никогда просто так не оставит». Хороший учёный в такие моменты вгрызается в это и задаёт вопросы вроде: «Почему я это вижу?» Видеть что-то неожиданное – это одна из наград занятий наукой.
