© "Семь искусств"
  ноябрь 2017 года

Виталий Шрайбер: Глобальное потепление: история в лицах и фактах

При этом большинство исследователей сходится во мнении, что сами по себе орбитальные изменения вызывают лишь очень небольшие изменения температуры. Но эти небольшие изменения играют роль начального толчка, запускающего механизмы положительных обратных связей, благодаря которым изменения постепенно усиливаются, и в конце концов возникает глобальное оледенение или, наоборот, глобальное размораживание.

Виталий Шрайбер

Глобальное потепление: история в лицах и фактах

(продолжение, начало в № 8/2016 и сл.)

Часть 2.

Антропогенное усиление парникового эффекта на фоне других климатических явлений

 Предисловие

 Прежде чем продолжить хронологический рассказ об истории исследований парникового эффекта земной атмосферы и его возможных изменений, вызванных деятельностью человека, целесообразно рассказать о других природных явлениях и связанных с ними теориях изменений климата. Хотя в нашу задачу не входит исчерпывающий обзор всех таких явлений и теорий, некоторые из них обойти никак нельзя.

В первую очередь, это те, которые связаны с изменениями потока падающей на Землю солнечной энергии. Ясно, что флуктуации этого потока, вызванные теми или иными причинами (см. далее), неизбежно приводят к изменениям температуры поверхности Земли. Как свидетельствуют данные, полученные методами палеоклиматологии, эти изменения периодически случались на протяжении всей истории нашей планеты, в том числе и тогда, когда никаких антропогенных влияний не было и быть не могло. Попытки понять процессы, влияющие на интенсивность потока солнечной радиации, и связать с ними изменения земного климата предпринимались уже в девятнадцатом веке. Именно к этим процессам чаще, чем к другим, аппелируют как к альтернативе те специалисты и публицисты, кто отказывается верить в возможность изменения климата из-за антропогенного усиления парникового эффекта. Но и те, кто верит в реальность антропогенного фактора, все равно должны учитывать иные природные механизмы и явления, на фоне которых проявляются (или не проявляются) последствия человеческой деятельности.

Вместе с тем, в современном варианте теория парникового эффекта не является в чистом виде разделом физики атмосферы. Как мы видели в Части 1, уже работы Пласса, Ревелла и Зюсса включали анализ обмена углекислым газом между атмосферой и океаном, анализ химических реакций, протекающих в океанской воде. Да и сама атмосфера не является просто газовой смесью. Это сложная гетерогенная система, в которой, наряду с радиационными и диффузионными процессами протекают процессы формирования облаков и аэрозолей. На состав атмосферы Земли и, соответственно, на климат влияют извержения вулканов, состояние зеленого покрова, образование и таяние ледников, океанские и воздушные течения. Все эти процессы влияют на температуру и в то же время зависят от нее — в соответствии с первым законом экологии, сформулированным американским экологом Барри Коммонером (Barry Commoner, 1917 —  2012): все связано со всем [1].

На всякий случай напомню, что в первой части настоящей публикации для краткости мы вместо слов «концепция антропогенного усиления парникового эффекта» иногда использовали сокращение «концепция GW», где GW —  global warming.

 Глава 1. Изменения климата, связанные с изменениями параметров земной орбиты

Теория циклов Миланковича

Среди теорий, выдвигавшихся для объяснения периодических изменений потока солнечной радиации, падающего на Землю, наиболее фундаментальной и, пожалуй, наиболее популярной среди климатологов и палеонтологов является теория циклов Миланковича.

       Суть явления, описываемого этой теорией, состоит в том, что параметры орбиты, по которой Земля движется вокруг Солнца, периодически изменяются под влиянием гравитационного воздействия со стороны Солнца, Луны и других планет Солнечной Системы, в частности Юпитера и Сатурна. Это, в свою очередь, приводит к периодическим изменениям среднего расстояния от Земли до Солнца и угла между осью вращения Земли и направлением на Солнце. Соответственно, меняется величина потока солнечного излучения, падающего на Землю, и его распределение по земной поверхности. Первым, кто обратил на это внимание, был шотландский ученый Джеймс Кролл (James Croll, 1821 — 1890). Еще в семидесятых годах девятнадцатого века Кролл выполнил расчеты, из которых следовало, что орбита Земли претерпевает изменения, которые носят циклический характер, и высказал гипотезу, что эта цикличность могла быть причиной чередования ледниковых и межледниковых периодов. Однако расчеты Кролла были недостаточно точны, как, впрочем, и имевшиеся в его распоряжении данные о хронологии оледенений. Так что убедительно доказать справедливость своей гипотезы Кроллу не удалось.

       Спустя несколько десятилетий, в 1912 году, уже зная о работе Кролла, проблемой связи между вариацией параметров земной орбиты и изменением температуры Земли заинтересовался талантливый сербский математик Милутин Миланкович (Milutin Milankovic). Усовершенствовав метод расчетов, он добился значительно большей точности по сравнению с Кроллом и довел расчеты до состояния завершенной астрономической теории. Ему потребовалось для этого около пяти лет напряженной работы. Даже участие в Первой мировой войне не прервало его работу. Он служил в генеральном штабе сербской армии, был захвачен в плен австро-венгерскими войсками и помещен в тюрьму крепости Эссег.

О том насколько Миланкович был увлечен и поглощен своей работой, свидетельствует письмо, написанное им жене из тюрьмы[1]: «Тяжелая железная дверь захлопнулась за мной. … Я сел на койку, оглядел помещение, стараясь осмыслить новые обстоятельства, в которых я оказался. … В моем саквояже, который я взял с собой, были уже отпечатанные и только начатые статьи по моей космической проблеме; нашелся и чистый лист бумаги. Я просмотрел их, достал свое верное чернильное перо и начал писать и вычислять. Когда после полуночи я огляделся вокруг, мне понадобилось некоторое время, чтобы понять где я нахожусь. Небольшое помещение камеры показалось мне чем-то вроде приюта на одну ночь во время моего путешествия по Вселенной»

 Но ему повезло: его отправили в Будапешт, где знакомые венгерские ученые организовали ему возможность работать. С 1912 по 1917 год он опубликовал семь статей, посвященных «астрономической теории климата», а в 1920 году выпустил книгу, в которой подвел итог этим исследованиям [2-4]. С тех пор за периодическими изменениями параметров земной орбиты закрепилось название «Циклы Миланковича».

 Milutin Milankovic (1879 — 1958)

Milutin Milankovic (1879 — 1958)

      Теория Миланковича рассматривает три основные характеристики, которые изменяются при движении Земли по орбите вокруг Солнца.

Во-первых, это прецессия оси вращения Земли. Если бы Земля была изолирована от воздействия соседних небесных тел, то ориентация в пространстве ее оси вращения оставалась бы неизменной по закону сохранения момента импульса. Однако реально притяжение Солнца, Луны и других планет приводит к тому, что направление оси не является неизменным. Земная ось медленно описывает круговой конус (прецессирует), подобно оси волчка или гироскопа. Ось конуса перпендикулярна к плоскости орбиты, а угол между осью и образующей конуса составляет около 23º. Полный оборот совершается за период около 26 тысяч лет. В настоящее время Земля наклонена так, что в январе, северное полушарие отвернуто от Солнца. Через примерно 13 тысяч лет в январе северное полушарие будет повернуто к Солнцу, и январь в северном полушарии станет летним месяцем.

Во-вторых, периодически меняется — тоже медленно — угол наклона земной оси к плоскости орбиты. Меняется в пределах приблизительно трех градусов. Чем больше угол наклона, тем жарче лето и холоднее зима, то есть более значительна разница температур летнего и зимнего сезонов. Это изменение угла называется нутацией. Период нутации — 41 тысяча лет.

       Третья характеристика земной орбиты, подверженная периодическим изменениям — это эксцентриситет. Величина эксцентриситета характеризует отличие эллиптической орбиты от круговой. Реально эксцентриситет земной орбиты довольно мал, отличие орбиты от круговой невелико. Однако со временем орбита меняется от эллипса, вытянутого в одном направлении, до круга и затем до эллипса, вытянутого в перпендикулярном направлении. Длительность одного цикла изменения эксцентриситета составляет около 93 тысяч лет. При этом поверхность Земли получает мксимум солнечной радиации, когда Земля максимально приближается к Солнцу, и, соответственно, минимум, когда максимально удаляется.

Характеристики движения Земли по орбите вокруг Солнца, подверженные периодическим изменениям в соответствии с теорией Миланковича: прецессия (precession), нутация (tilt), эксцентриситет (eccentricity).

Характеристики движения Земли по орбите вокруг Солнца, подверженные периодическим изменениям в соответствии с теорией Миланковича: прецессия (precession), нутация (tilt), эксцентриситет (eccentricity).

 Миланкович рассчитал не только периодические изменения каждой из вышеуказанных характеристик, но и суммарное воздействие этих изменений на параметры орбиты и ориентации Земли и на величину потока падающей на поверхность Земли солнечной радиации (так называемая инсоляция).

Итак, цель, которую преследовали Крол, а затем Миланкович, была, по существу, та же самая, к которой стремились и первые исследователи парникового эффекта —  раскрыть загадку оледенений. Только Тиндаль и Аррениус искали разгадку в земной атмосфере, а Крол и Миланкович —  в космосе. При этом теория циклов Миланковича имеет наглядный физический смысл. Она основана на классической небесной механике и приятно напоминает знакомые со студенческой скамьи законы Кеплера и Ньютона. И все же, несмотря на привлекательность этой теории, она довольно долго рассматривалась многими климатологами как пример красивой, но, в основном, умозрительной концепции. В корректности астрономических расчетов Миланковича особых сомнений не было, но попытки найти реальное соответствие между вычисленными циклами и имеющимися данными об изменениях климата, наталкивались на серьезные трудности.

       Во-первых, из теории Миланковича вытекало, что, подчиняясь астрономическим циклам, изменения климата в истории Земли должны были происходить многократно. В принципе каждому из трех вышеописанных циклов должно соответствовать некоторое изменение падающей на поверхность Земли солнечной радиации и, следовательно, некоторое изменение температуры планеты. Правда, изменения трех характеристик орбиты не скоррелированы, вызванные ими осцилляции потока радиации складываются в произвольных фазах, а потому большую часть времени их суммарный эффект должен быть невелик. И лишь в те отрезки времени, когда изменения, вызванные всеми тремя или хотя бы двумя факторами, совпадают по фазе, можно ожидать заметных изменений инсоляции, способных вызвать климатические эффекты. Например, согласно вычислениям Миланковича, когда все три орбитальных фактора действуют в одном направлении, имеет место существенное уменьшение инсоляции, и, следовательно, именно в этих случаях наступает ледниковый период.

      Таким образом, сравнительно небольшие изменения климата должны были случаться с интервалами в десятки тысяч лет, и раз в несколько сотен тысяч или миллионов лет — более значительные. Однако в 20 — 30-х годах, да и вообще в первой половине 20-го века, такой информацией климатологи не располагали. Был принято считать, что в течение четвертичного периода (Плейстоцена) длительностью около двух с половиной миллионов лет, было всего четыре ледниковых и три межледниковых эпохи [5].

       Во-вторых, оценки показывали, что изменения потоков солнечной радиации вследствие изменений параметров земной орбиты, очень малы. Сами по себе они могут вызвать изменения температуры на величину порядка десятых долей градуса, в то время как для наступления оледенений — а ведь главной целью было объяснение смены ледниковых и межледниковых эпох — нужно понижение температуры на несколько целых градусов. Следовательно, для того чтобы астрономические эффекты «сработали», на Земле должны существовать какие-то природные механизмы, способные усиливать эти эффекты. Эти механизмы должны работать по принципу положительной обратной связи.

Понятие «обратная связь» давно употребляется в радиотехнике, электронике, кибернетике, лазерной физике. В этих дисциплинах под обратной связью подразумевается такая ситуация, когда переменный сигнал поступает на вход усиливающего устройства, а затем часть усиленного сигнала с выхода устройства подается обратно на вход. Если эта часть оказывается в противофазе с входящим сигналом, результатом будет ослабление суммарного сигнала на выходе устройства. Такая обратная связь называется отрицательной. Если же часть выходного сигнала попадает на вход в фазе с входящим сигналом, общий сигнал на выходе возрастает. Это положительная обратная связь. В последнее время с некоторыми видоизменениями термин обратная связь стал использоваться и для характеристики процессов в природных экологических системах.

Это означает, что сигнал извне (в данном случае, поток солнечного излучения), поступающий в систему (на Землю), вызывая определенную реакцию системы (изменение температуры), одновременно изменяет свойства системы (в данном случае ее способность поглощать солнечное излучение) таким образом, что реакция системы на подобные сигналы возрастает и продолжает возрастать с каждой новой порцией сигнала. Понимая это, и Крол, и Миланкович, а затем и некоторые другие исследователи, предлагали следующую схему.

       Небольшое понижение температуры поверхности планеты, приводит к некоторому увеличению площади, покрытой льдом (или снегом). Так как коэффициент отражения излучения льдом выше, чем открытой почвой, отражательная способность планеты (альбедо) в целом несколько увеличивается. Это, в свою очередь, приведет к тому, что Земля начнет поглощать меньше солнечной энергии. Тогда температура еще понизится, обледенение охватит еще большую поверхность, альбедо еще увеличится, температура еще понизится и т.д. В конце концов понижение температуры окажется достаточным, чтобы ледяной покров охватил значительные области земной поверхности.

         Эта схема казалась правдоподобной, но все равно оставляла много вопросов. Сделать количественные оценки было затруднительно. Ряд исследователей, соглашаясь, с тем, что изменения альбедо могут играть подобную роль, все же сомневались, что этот механизм способен настолько усилить температурный эффект малых возмущений земной орбиты, чтобы обеспечить образование и таяние ледникового покрова Земли.

          И лишь когда техника и методы палеогеологии вышли на новый уровень, ученые начали получать данные, подтверждающие многократность изменениий климата и, хоть приблизительно, но все же согласующиеся с расчетами Миланковича. Эти данные были получены путем исследования проб осадочных отложений, взятых с океанского дна на больших глубинах, и проб льда (так наз. ледового керна), извлеченных с помощью глубокого бурения ледников Гренландии и Антарктиды, и последующего тонкого и трудоемкого анализа соотношения изотопов углерода, кислорода, водорода и других элементов в этих образцах [6,7]. Ниже —  коротко о том, когда, кому и как удалось получить эти данные.

Подтверждения связи ледниковых периодов с циклами Миланковича

  1. Чезаре Эмилиани и Уоллес Брокер. Изотопный анализ фораминифер и океанских рифов.

 Первым исследователем, получившим весомые аргументы в пользу реальности влияния циклов Миланковича на температуру мирового океана и смену ледовых эпох, был Чезаре Эмилиани (Cesare Emiliani) [8]. В 1948 году молодой итальянец, выпускник геологического отделения университета Болоньи получил грант на продолжение образования в Чикагском Университете США. Спустя два года он получил PhD и до 1956 г. работал в лаборатории геохимии Института Ядерных Исследований им. Энрико Ферми при Чикагском Университете. Руководителем лаборатории был профессор Гарольд Юри (Harold Urey, 1893 — 1991), крупнейший специалист по физической химии изотопов, получивший в 1934 году Нобелевскую премию за открытие дейтерия. В пятидесятых годах сотрудники лаборатории Юри занимались исследованием влияния температуры, на соотношение концентраций естественных изотопов кислорода 16О и 18О в океанской воде, донных отложениях и живых организмах, обитающих в океане. Было установлено, что:

а) соотношение концентраций (16О:18О) в материале раковин моллюсков зависит от температуры, при которой происходило образование моллюска;

б) относительная доля более тяжелого изотопа 18О увеличивается при низких температурах и уменьшается при повышении температуры.

В 1957 году Эмилиани взялся с помощью кислород-изотопного анализа определять температуры, при которых происходило формирование различных слоев в океанских донных отложениях, представляющих собой спрессованную смесь песка, глины, ила, нерастворимых солей, пепла, попадавшего в океан во время вулканических извержений, и останков живых организмов. Его интересовала зависимость температуры формирования слоя от глубины его залегания в толще донного отложения. В качестве объекта анализа, служившего индикатором температуры, он использовал раковины фораминифер —  простейших микроскопических раковинных организмов из группы так наз. протистов. Раковина фораминиферы —  своего рода наружный скелет —  обычно состоит из известкового вещества, содержащего карбонаты, которые, в свою очередь, включают атомы кислорода. Выполнению этой работы способствовало устройство, сконструированное шведским ученым Борье Кулленбергом (Borje Kullenberg, 1906 —  1991). Устройство представляло собой длинную металлическую трубу со специальным поршнем. Труба погружалась глубоко в отложения океанского дна, которые с помощью поршня всасывались в трубу. Таким способом удавалось получить образцы длиной до 10 метров, внутри которых сохранялось распределение слоев донного осадка по вертикали, соответствующее времени образования этих слоев.

Cesare Emiliani (1922 — 1995)

Cesare Emiliani (1922 — 1995)

Эмилиани обработал большое количество таких образцов, собранных в различных районах Тихого Океана и Карибского Моря. Через каждые 10 см по длине образца (или, иными словами, по глубине слоя донного отложения) он извлекал порцию фораминифер, отделял раковины, экстрагировал из них СО2 и измерял соотношение 16О:18О с помощью масс-спектрометра. Корреляцию глубины слоя с временем его формирования он нашел, измеряя концентрацию углерода 14С. Сравнительно короткое время полураспада углерода 14C (5700 лет —  см. Часть 1) позволило построить такую корреляцию в пределах лишь нескольких последних десятков тысяч лет. Затем он экстраполировал ее на более длительные периоды времени. Таким способом он обнаружил периодические изменения соотношения (16О:18О) в фораминиферах с изменением глубины донного отложения и, соответственно, со временем.

Анализируя эти изменения, Эмилиани пришел к выводу, что они отражают циклические изменения температуры океана и наступление и отступление ледников [8, 9]. При этом на кривой, охватывающей 300 000 лет от настоящего времени вглубь веков, он, вопреки принятой в то время концепции о четырех ледниковых и трех межледниковых периодах в Плейстоцене, насчитал как минимум семь циклов и пришел к заключению, что они приблизительно коррелируют с циклическими изменениями количества солнечной радиации, вычисленными Миланковичем. В дальнейшем он расширил анализируемый период до 425 000 лет [10].

Следующие подтверждения корреляции смены ледниковых и межледниковых периодов с астрономическими циклами были получены группой сотрудников Геологической Обсерватоии Lamont при Колумбийском Университете во главе с Уоллесом Брокером (Wallace Smith Broecker). В начале шестидесятых годов Уоллес Брокер с коллегами отправились в тропики, где обследовали коралловые рифы, образовавшиеся сотни тысяч лет назад и сохранившие следы подъемов и спадов уровня океана вследствие образования и таяния древних ледников. Возраст образцов этих рифов затем измерялся с помощью содержавшихся в них примесей радиоактивных изотопов урана, тория и протактиния, периоды полураспада которых (в отличие от углерода 14С) исчисляются многими тысячелетиями. Температуры, соответствующие возрасту, определялись с помощью соотношения изотопов кислорода. В докладе о результатах этой экспедиции, Брокер, хоть и осторожно, но высказал предположение о корреляции полученных данных с расчетами Миланковича [11].

В 1968 году Брокер предпринял следующую экспедицию — на Барбадос. Этот остров образован преимущественно коралловыми отложениями. Часть острова покрыта рифовыми террасами, высота которых, по мнению Брокера, определялась положением уровня океана в различные периоды Плейстоцена. Одна из террас находится на высоте 130 футов над нынешним уровнем моря. Брокер установил, что эта террасса образовалась приблизительно 124 тысячи лет назад. Другие террассы расположены ниже, и им соответствует возраст ~ 105 и 82 тыс лет. Возраст всех этих террасс близко соответствует временам максимального летнего солнечного облучения Северного полушария и таяния ледниковых плит, следующим из расчетов Миланковича: 127, 106 и 82 тысячи лет назад [12] (разности этих величин соответствуют циклам прецессии и нутации (см. выше). Так что на сей раз Брокер уже с большей уверенностью говорил о соответствии этих данных теории Миланковича.

Заметим, что работы по анализу изотопного состава рифов с целью проверки теории астронормических циклов —  это не единственный вклад Уоллеса Брокера в науку о климате. Есть и другие важные работы, речь о которых еще впереди.

В 70-е годы дальнейший прогресс был связан с работами английского палеоклиматолога Николаса Шеклтона (Nicholas Shackleton, 1937 —  2006), который значительно усовершенствовал методику определения хронологической структуры образцов при анализе донных отложений и фораминифер. В результате при исследовании донных отложений в Индийском океане ему удалось проследить изменения температуры сначала до 700 тысяч (когда, по его мнению, произошло изменение направления магнитного поля Земли), а затем до 870 тысяч лет. На этом временном диапазоне он обнаружил циклические изменения с частотой ~ 20, 40 и 100 тысяч лет, что явно соответствует астрономическим циклам Миланковича. В 1976 году в журнале Science Шеклтон с коллегами опубликовали статью с многозначительным названием “Variations in the Earth Orbit: Pacemaker of the Ice Ages”[13].

 Глубокое бурение ледников Гренландии и Антарктиды. Анализ ледового керна.

 И все же наиболее убедительные и содержательные свидетельства влияния циклов Миланковича на природые условия и климат Земли были получены путем исследования образцов льда (так называемого ледового керна), извлеченных с помощью глубокого бурения ледников Гренландии и Антарктиды. В Интернете сейчас можно найти множество интересных и увлекательных статей об этих исследованиях. Однако их полный обзор не входит в мою задачу и попросту невозможен в рамках настоящей публикации. Ниже приводится изложение тех фактов и выводов, которые показались мне уместными в данном случае.

Идея и методика анализа образцов льда были до некоторой степени аналогичны тем, которые использовали Эмилиани и Брокер для анализа донных отложений и рифов. Однако основополагающую роль здесь сыграли исследования, выполненные датским геофизиком Вилли Дансгором (Willi Dansgaard, 1922 — 2011). Дансгор установил, что соотношение изотопов кислорода (16О:18О) во льду равно соотношению (16О:18О) в облаках в момент, когда из этих облаков выпадал снег и иные осадки, из которых затем формировался лед [7, 14, 15]. Снег, выпавший тысячи лет назад, поначалу был рыхлым, и в его порах содержалось значительное количество атмосферного воздуха того времени. Постепенно снег уплотнялся под давлением новых слоев, образуя так называемый фирн[2], а воздух частично выдавливался, а частично оказывался замурованным. Со временем фирн превращался в лед, содержащий пузырьки воздуха. Выделяя этот воздух из образцов льда, можно узнать состав атмосферы Земли в то далекое время. Таким образом, анализ изотопного состава льда[3] дает значения температуры его образования, а анализ заключенного в нем воздуха —  состав атмосферы, в том числе содержание в ней парниковых газов.

Сложной проблемой является хронология —  установление соответствия между глубиной залегания образца льда и его возрастом. Она относительно просто решается для верхней части толщи ледника. По данным гляциологов, в этой части можно подсчитать годичные слои льда аналогично подсчету годичных колец в деревьях. С глубиной годичные слои утончаются за счет большого давления и растекания льда, и их подсчет затрудняется, а на больших глубинах становится невозможным. Тогда приходится прибегать к численному моделированию, используя данные о скорости накопления снега, о температуре и вязкости льда. Дополнительными реперами служат обнаруженные в льду примеси продуктов вулканических извержений и ядерных взрывов в атмосфере, даты которых известны. По данным [16] точность определения возраста на глубине 2755 м на станции Восток в Антарктиде (см. ниже) соcтавляла ± 6 ÷ 10 тысяч лет.

Работы по глубокому бурению ледников были начаты в конце 50-х годов. Началу работ способствовало проведение в 1957 году Международного Геофизического Года. Однако первые глубокие скважины были пробурены и первые аналитические работы выполнены в Гренландии на станции Camp Century, созданной американцами, как позднее выяснилось, отнюдь не для геофизических исследований. Станция была построена в начале 50-х годов в рамках суперсекретного проекта, инициированного холодной войной. Целью проекта было размещение баллистических ядерных ракет в шахтах в глубине гренландского ледника. Идея была простая: Гренландия расположена ближе к целям на территории СССР, чем Северная Америка. Работы проводились в тайне от правительства Дании, в состав которой входила Гренландия. Официально считалось, что на станции проводятся испытания техники в ледовых условиях. Проект оказался неосуществимым, и в 60-х годах был свернут. Несмотря на все это, группам европейских и американских гляциологов, повидимому не знавших об истинных целях создания станции, в 60-х годах удалось получить образцы ледового керна для своих исследований и осуществить изотопный анализ. Наибольшая глубина, с которой были получены образцы льда составляла 1370 метров, что соответствовало углублению в прошлое на 100 тысяч лет. В последующие годы работы в Гренландии велись интернациональной группой европейских ученых, руководство которой осуществлял Институт Нильса Бора в Копенгагене (проект NEEM). Им удалось восстановить картину изменений климата и состава атмосферы в пределах последних 130000 лет.

Еще более впечатляющие результаты были получены в 70-е годы в Антарктиде на советской станции Восток. Для того времени само по себе создание этой станции в глубине материка, в сверхсуровых условиях (среднегодовая темпертура минус 55°С, а в определенные периоды ниже минус 80°С) явилось огромным техническим и просто человеческим достижением. Об истории создания станции и результатах исследований можно прочесть, например, в публикациях академика В. М. Котлякова, директора Института географии РАН [16, 17]. Сначала работы на этой станции проводились советскими группами, затем к ним присоединилсь французы. Согласно [16], за минувшие годы было пробурено пять скважин, причем каждая следующая была глубже предыдущей. Бурение последней скважины было остановлено на глубине 3623 метра, всего в нескольких десятков метров от обнаруженного в 1998 году гигантского подледникового озера. Если образцы, добытые в Гренландии, позволили охватить время последнего ледникового цикла, то образцы керна, добытого советско-французской командой на станции «Восток», позволили расшифровать палеоклиматическую информацию на глубину ~ 450 тысяч лет в прошлое, что соответствовало полным четырем циклам смены ледниковых и межледниковых периодов. Вместе с тем, в том временном горизонте, где можно было сравнивать результаты полученные в Гренландии и Антарктиде, они, в основном, подтверждали друг друга.

1) Анализ соотношения легких и тяжелых изотопов кислорода и водорода в образцах ледового керна показал, что наиболее серьезные изменения климата Земли за последние 500 тысяч лет происходили с периодичностью примерно 100 тысяч лет (главный цикл эксцентриситета по Миланковичу), менее выраженные — с периодичностью ~ 42 тысячи лет (цикл нутации), а самые небольшие — с периодичностью ~ 24 тысячи лет (цикл прецессии). Причем за последние 500 тысяч лет были отмечены четыре продолжительных ледниковых периода, разделенные более короткими периодами существенного потепления.

2) Анализ содержимого пузырьков воздуха позволил выяснить химический состав воздуха, измерить содержание в нем парниковых газов — двуокиси углерода и метана. Важнейшим результатом стало обнаружение корреляции изменений концентрации парниковых газов с изменениями температуры и с переходом от ледниковых периодов к межледниковьям. В периоды потеплений концентрация СО2 заметно повышалась по сравнению с холодными периодами. Концентрация метана также возрастала и падала, отслеживая изменения температуры.

Как написал в одной из статей Спенсер Вирт, «This work fulfilled the old dream that studying the different climates of the past could be almost like putting the Earth on a laboratory bench, switching conditions back and forth and observing the consequences» (В этой работе осуществилась давняя мечта климатологов о том, чтобы можно было положить Землю на лабораторный стол и, переключая климатические условия, наблюдать последствия этих переключений)

Обнаруженная корреляция температуры с концентрацией парниковых газов в атмосфере на протяжении всего ледниково-межледникового цикла —  это практически первое наглядное свидетельство связи изменений климата с содержанием углекислого газа (и вообще парниковых газов) в атмосфере.

Кривые изменения температуры и концентрации углекислого газа за последние 400000 лет по результатам анализа ледового керна со станции Восток.

Кривые изменения температуры и концентрации углекислого газа за последние 400000 лет по результатам анализа ледового керна со станции Восток.

3) Детальное изучение кривых изменения температуры и концентрации СО2 помимо их несомненного сходства (Рис. 4), показывает наличие относительно небольшого сдвига, свидетельствующего, что изменение концентрации углекислого газа запаздывает по отношению к изменениям температуры. Следовательно, первичным толчком является подъем температуры, а изменение концентрации углекислого газа — следствием. Это дало основание ряду ученых и публицистов утверждать, что и современный — в двадцатом и двадцать первом веке — рост содержания СО2 в атмосфере является следствием подъема температуры, а не результатом человеческой деятельности[4]. При этом большинство сторонников этой точки зрения подразумевает, что иначе и быть не может, что увеличение концентрации углекислого газа вообще не может вызывать заметное повышение температуры. Сходным образом высказывались, например, Александр Городницкий и Андрей Капица, о чем я упоминал в Части 1 настоящей публикации. Эта точка зрения, будучи довольно распространенной, все же не является доминирующей.

4) Во-первых, чисто логически из того факта, что повышение температуры Земли и океана приводит к повышению концентрации СО2 в атмосфере, вовсе не следует, что повышение концентрации СО2 не может вызывать повышение температуры за счет усиления парникового эффекта. Во-вторых, все-таки существует теория, основанная на законах физики, которая говорит, что повышение концентрации парникового газа может и даже должно вызывать повышение температуры (значительное или незначительное —  можно считать вопросом дискуссионным), а теории, которая бы утверждала обратное, не существует. В-третьих, вышеописанные исследования ледового керна показали, что такой концентрации СО2 в атмосфере, которая возникла в двацатом веке и продолжает расти, не было на протяжении предыдущих как минимум 800 000 лет, охватывающих несколько ледниковых циклов. И никаких весомых причин, объясняющих этот рост, кроме антропогенных, до сих пор, насколько мне известно, не выявлено. Возможно поэтому довольно значительная часть специалистов, в том числе участники международных групп исследователей ледового керна в Гренландии и Антарктиде, судя по их публикациям, интерпретируют полученные данные не так как Капица и Городницкий, а примерно следующим образом [17,18].

Первичное изменение температуры из-за изменения параметров земной орбиты (и связанного с ним изменения потока солнечной радиации) недостаточно велико, чтобы вызвать глобальное оледенение (или глобальное таяние льдов). Но оно играет роль своего рода спускового крючка, приводя к активизации процессов, ведущих, соответственно, к росту или падению содержания в атмосфере парниковых газов —  водяного пара, двуокиси углерода и метана. Так, например, меняется температура поверхностных слоев океана и, как следствие, давление паров воды и двуокиси углерода в атмосфере. Изменение содержания парниковых газов в атмосфере, в свою очередь, через изменение парникового эффекта, усиливает сдвиг температуры в том же направлении, отчего еще больше меняется концентрация этих газов и т. д. То есть, возникает ситуация, когда парниковые газы, в том числе СО2, осуществляют положительную обратную связь (см. выше). При этом изменение концентрации СО2 в атмосфере происходит с некоторым отставанием от изменения температуры. Это естественно, так как прогрев (или охлаждение) океана на всю глубину — процесс медленный; задержка может составлять несколько сот или даже тысячу лет (что не так уж много в масштабе времени астрономического цикла).

Таким образом, на флуктуацию температуры, вызванную изменением параметров орбиты, Земля реагирует изменением концентрации паров воды, углекислоты и метана, а значит и величины парникового эффекта. Это усиливает возникший сдвиг температуры в том же направлении, отчего еще больше меняется концентрация парниковых газов, еще больше меняется парниковый эффект и т. д. В этой схеме существенно, что эти газы осуществляют положительную обратную связь именно за счет своей способности влиять на температуру системы.

Выше, определяя понятие положительной обратной связи, я рассказывал, что Миланкович в качестве механизма такой связи вводил в свои расчеты температурные изменения альбедо Земли. Однако некоторые специалисты сомневались, что одно только изменение альбедо способно настолько усилить температурный эффект орбитальных возмущений, чтобы обеспечить возникновение или исчезновение ледников. Кроме того, ряд аналитиков обращал внимание на то, что Миланкович выполнял расчеты изменения инсоляции только для области 65 градусов Северной широты, и из его расчетов следовало, что изменение температуры в Северном и Южном полушариях должно происходить в противофазе: когда Южное полушарие нагревается, Северное будет охлаждаться, и наоборот. В то же время данные анализа ледовых кернов в Гренландии и Антарктиде показывали, что похолодание или потепление происходит практически одновременно в обоих полушариях, хотя и различается количественно. Открытие роли парниковых газов в процессах охлаждения и нагрева планеты объясняет, почему в этом пункте теория Миланковича не согласуется с результатами анализа. Парниковые газы, не учтенные в расчетах Миланковича, физически связывают два полушария, приводя к нагреву или охлаждению Земли как целого.

В последующие годы в Антарктиде, были созданы еще две исследовательские станции: европейскими (проект EPICA) и японскими (проект DOUM FUDZI) учеными. В этих случаях также была достигнута глубина скважин три и более километра, а возраст образцов оценен в 900 и 800 тысяч лет соответственно. Европейские ученые, обнародовали новые данные, полученные в ходе анализа образцов с глубины более 3 км. Полученные данные и сделанные выводы, в основном, согласуются с тем, что получено на станции Восток. В частности: нынешние концентрации углекислого газа и метана в атмосфере нашей планеты оказались самыми высокими за последние 650 тыс. лет. «Мы обнаружили, что концентрация углекислого газа сейчас на 30% выше, чем в любой исследованный период времени, а концентрация метана выше на 130%. Скорость увеличения концентрации углекислого газа сегодня в 200 раз выше, чем на протяжении последних 650 тыс. лет», —  говорит Томас Стокер из Бернского университета (Швейцария).

Подведем некоторые итоги. Из вышеизложенного следует, что чередование ледниковых эпох с межледниковьями на протяжении последнего миллиона лет на Земле были связаны с астрономическими циклами Миланковича, то есть с изменениями орбитальных характеристик движения Земли вокруг Солнца. При этом большинство исследователей (по крайней мере, значительная часть) сходится во мнении, что сами по себе орбитальные изменения вызывают лишь очень небольшие изменения температуры. Но эти небольшие изменения играют роль начального толчка (спускового крючка, триггера, pacemaker в англоязычной литературе [13,18]), запускающего механизмы положительных обратных связей, благодаря которым изменения постепенно усиливаются, и в конце концов возникает глобальное оледенение или, наоборот, глобальное размораживание. В качестве механизма положительной обратной связи все специалисты называют изменение величины альбедо. Многие, хотя, вероятно, не все, полагают, что изменение содержания парниковых газов, коррелирующее с температурой, обеспечивает еще один, причем более эффективный, механизм положительной обратной связи.

Содержание углекислого газа в атмосфере, изменяясь от ~ 180 до ~280 в процессе циклов с характерными временами десятки и сотни тысяч лет, никогда —  ни в холодные, ни в теплые периоды — не достигало тех значений, которых возникли в начале 20-го века и всего за сотню лет увеличились еще на 30%. Кажется крайне маловероятным, чтобы столь значительные изменения концентрации двуокиси углерода, как и увеличение глобальной температуры порядка 0.7 °С, зарегистрированное за эту же сотню лет в 20-м —  21-м веках, можно было приписать влиянию астрономических циклов. Объяснение этих изменений, связанное с усилением парникового эффекта в этот исторический период из-за активизации человеческой деятельности, конкретно из-за роста эмиссии парниковых газов, кажется более естественным и логичным. Можно заключить, что теория циклов Миланковича и теория антропогенного усиления парникового эффекта не противоречат друг другу, не конкурируют, а скорее друг друга дополняют.

(продолжение следует)

Литература к главе 1

  1. Barry Commoner. The Closing Circle, New York, 1971 (русский перевод: Барри
    Коммонер. Замыкающийся Круг. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1974)
  2. Milutin Milankovitch. Contribution to the mathematical theory of climate (в оригинале на сербско-хорватском “Прилог теорији математске климе”). Belgrade, 1912.
  3. Milutin Milankovitch. Distribution of the Sun Radiation on the Earth’s Surface (в оригинале на сербско-хорватском “О распореду сунчеве радиjациjе на површини земље). Belgrade, 1913.
  4. Milutin Milankovitch. Théorie Mathématique Des Phénomènes Thermiques Produits Par La Radiation Solaire. — Paris: Gauthier-Villars, XVI, 338 S, 1920.
  5. Материалы конференции 1932 года Международной ассоциации по изучению Четвертичного периода.
  6. Richard A. Muller. A brief introduction to ice age theories.
  7. Spenсer R. Weart. The Discovery of Global Warming. Harvard University Press Cambridge, Massachusetts, London, England 2008.
  8. William W. Hay, Eloise Zakevich. Cesare Emiliani (1922-1995): the founder of paleoceanography. — International Microbiology 2(1):52-54,April 1999.
  9. Cesare Emiliani. Temperature and age analysis of deep sea cores. — Science, 1957: Vol. 125, Issue 3244, pp. 383-387.
  10. Cesare Emiliani. Paleotemperature analysis of Caribbean cores P6304-8 and P6304-9 and a generalized temperature curve for the past 425,000 years. — Journal of Geology, 1966, 74:109— 124
  11. Wallace S. Broecker. Absolute Dating and the Astronomical Theory of Glaciation. — Science 1966, v. 151, N 3708, pp. 299-304
  12.  Wallace S. Broecker, David L. Thurber, John Goddard, Teh-lung Ku, R. K. Matthews, Kenneth J. Mesolella. Milankovitch Hypothesis Supported by Precise Dating of Coral Reefs and Deep-Sea Sediments — Science 1968 v.159, N 3812, 297-300.
  13. J. D. Hays, John Imbrie and N. J. Shackleton. Variations in the Earth’s Orbit: Pacemaker of the Ice Ages. — Science, New Series, Vol. 194, No. 4270 (Dec. 10, 1976), pp. 1121-1132     
  14. W. Dansgaard, Phys. Lab. I I, H. C. Orsted Institute, University of Copenhagen. Stable isotopes in precipitation. Tellus XVI (1964), 436-468.
  15. Michele Citterio. In Memoriam Prof. Dr. Willi Dansgaard. — Studia UBB Geologia, 2011, 56 (1), 43 — 44.
  16. Котляков В. М. Глобальные изменения природы в«зеркале» ледяного керна. — Природа, 1992, № 7.
  17. В. М. Котляков, И. А Зотиков. Антарктида: климат. — Стенограмма телевизионного эфира от 09.09.2002.
  18. J. R. Petit et al (19 cоавторов из Франции, США и России). Climate and atmospheric history of the past 420 000 years from the Vostok ice core, Antarctica. —  Nature, vol. 39, 3 June 1999, 429 -436.

Примечания:

[1] Мой (В. Ш.) перевод текста из Wikipedia.

[2] Фирн — плотно слежавшийся, частично закристаллизовавшийся, многолетний снег, имеющий структуру промежуточную между снегом и льдом .

[3]В дальнейшем, в ряде работ, кроме соотношения изотопов кислорода, анализировалось также соотношение изотопов водорода, то есть водорода и дейтерия.

[4] Характерно, что для таких утверждений надо было все-таки признать, что имеет место рост тепературы, в то время как часть публицистов из этой же группы ранее отрицала и факт поъема температуры. Пришлось корректировать точку зрения, чтобы избежать утверждений типа «во-первых, рост содержания СО2 вызван не антропогенной эмиссией, а подъемом температуры океана, а во-вторых, никакого роста температуры нет»

Виталий Шрайбер: Глобальное потепление: история в лицах и фактах: 1 комментарий

  1. Борис Овруцкий

    Уважаемый Господин В. Шрайбер, Я с удовольствием прочёл Вашу статью. Я — инженер и отношусь к любому анализу с практической точки зрения. Я ни в коем случае не критикую Вас, но выражаю некоторые сомнения, а так же задаю вопросы в случае недостатка знаний. Не отрицая потепления или как сейчас говорят «температурных изменений», Я концентрируюсь на влиянии человечества. В связи с этим Я прилагаю следующие комментарии:
    1. Изменение в процентах малых величин (30% увеличение углекислого газа в атмосфере) не имеет практического смысла. Этого количества все равно в 100 раз меньше чем содержания водяного пара в атмосфере. Как Вы упомянули, количество метана накапливается на много быстрее в атмосфере чем СО2. Он тоже извергается вулканами, а также животными и людьми. Ученые UK даже предлагают обложить таксами мясные продукты как один из методов решения температурной проблемы. https://wattsupwiththat.com/2016/11/19/uk-researchers-tax-food-to-reduce-climate-change/?AID=7236 К чему Я привёл этот пример? А к тому, что углекислый газ продукт политизируемый, вода — нет!
    2. Насколько Я знаю, углекислый газ растворимый в воде. Возможно ли растворение в атмосферных условиях и выпадение осадка? При какой температуре океана углекислый газ начинает выделяться? Мы знаем о большом значении флоры в поглощении избыточного углекислого газа из воздуха, а какое значение имеют кораллы, планктон, водоросли и другие photosynthetic организмы в извлечении СО2 из мирового океана до того как газ выделится в атмосферу?
    3. Утилизируя, Я представляю атмосферу (в сфере объяснения парникового эффекта) как фильтр-линзу, которая не пропускает часть энергии исходящей от поверхности земли (инфракрасная зона излучения с волной в 15 микрон и температурой +15ºС). Известно, что солнечное инфракрасное излучение доходит до поверхности земли с диапазоном спектра волн от 0.7 мкм до 2.5 мкм (Здесь не большое несоответствие с длиной волны 15 микрон). На этот диапазон приходится почти 50% интенсивности Солнечного излучения. Из них более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО2. Таким образом «фильтр-линза» атмосферы работает в двух направлениях одинаково фильтруя лучи что от Солнца, что от Земли. Хотелось бы сравнить энергетический баланс между поступающей энергией от Солнца и задержанной энергии от Земли за счёт углекислого газа, той части которая возросла на 30% или 0.012% от общего количества газов (или в 342 раза меньше чем содержания водяного пара в атмосфере), и которую можно отнести к «влиянию человеческой активности». У меня такое чувство, что с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере балансе будет восстановлен — задержанное количество тепла исходящее от Земли будет как максимум равно задержанному теплу приходящему от Солнца — пропорционально интенсивности излучений.
    4. Вы допускаете, что начальное температурное изменение происходит от изменений солнечной энергии как trigger-factor для вторичного изменения температуры «благодаря» парниковому эффекту и в том числе углекислому газу содержимому в атмосфере и соответственно 30% которого относятся к человеческой деятельности.
    Допустим, что это — факт, но где же во вторичном явлении изменения температуры роль водяных паров? Ведь при увеличении температуры на поверхности Земли водяные пары выделяются гораздо быстрее и в большем количестве чем углекислый газ. Никто не возражает против парникового эффекта и влияния его на повышение температуры. Возражают против эффективного влияния человеческой деятельности на повышение температуры. Кстати, график представленный вами и подтверждающий отставание возрастания СО2 в атмосфере после возрастаний температуры, на основании которого trigger concept was assumed, представляет некоторую деталь… Согласно масштабу графика отставание исчисляется тысячелетиями. Я согласен, что повышение температуры triggers повышение количества углекислого газа в атмосфере, но влияния СО2 на повышение температуры (положительная обратная связь) на кривых графика не наблюдается.
    Буду рад услышать от Вас.
    С уважением,
    Борис Овруцкий

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

AlphaOmega Captcha Mathematica  –  Do the Math