Раніше The Insider вже публікував матеріал кліматолога Олександра Чернокульского, який відповів на скандальну статтю Юлії Латиніної, заперечує реальність глобального потепління. Крім журналістки «викриттям» глобального потепління і зайнявся відомий бард Олександр Городницький, стаття якого стала більш вагомою, так як цей 86-річний музикант за основною професією був геофізиком і непогано володіє науковою термінологією. Городницкому в сьогоднішньому спецномере газети «Троїцький варіант. Наука», присвяченому потепління клімату, відповів Олексій Екайкин, провідний науковий співробітник Лабораторії змін клімату і навколишнього середовища ААНИИ. З згоди «Троїцького варіанту» The Insider публікує статтю Екайкина, де він розбирає основні ляпи Городницького, наводить основні докази глобального потепління і пояснює, чому нового льодовикового періоду чекати не варто.
Коментувати статті Олександра Городницького по клімату досить легко — помилки лежать на поверхні. В принципі, кліматичні вправи Городницького можна було б і проігнорувати через їх наукової неспроможності, але от біда — Олександр Мойсейович все ж доктор наук (нехай і не з кліматології, але за іншою науковою спеціальністю) та ще й відомий бард, до чиїх словами, люди дослухаються.
Отже, почнемо з очевидних помилок у статтях (вірніше сказати, статті, тому що друга стаття майже повністю повторює першу) доктора Городницького.
Що найбільше вразило особисто мене, це дивовижні хронологічні та логічні невідповідності, які кидаються в очі будь-якому читачеві, але які не бентежать самого автора. Наприклад, А. Р. пише: «міф про глобальне потепління, вперше сформульований американським політиком Альбертом Гором кілька десятиліть тому і привів до угод в Кіото в 1997 році» — і кількома абзацами нижче пояснює, що міфу дала початок книга Гора «Незручна правда», випущена в 2007 році! Мабуть, незручна правда полягає в тому, що автори Кіотського протоколу, володіючи технологіями переміщення у часі, з середини 1990-х метнулися в 2007-й, щоб прочитати книгу Гора…
Ще приклад: «До початку XXI століття взагалі не існувало ніякої наукової теорії парникового ефекту і впливу парникових газів на теплові режими атмосфери», а буквально абзацом раніше: «Ідея про розігріві земної атмосфери парниковими газами вперше була висловлена в кінці XIX століття відомим шведським вченим Сванте Аррениусом (1859-1927)». Мова йде про статтю Арреніуса, яку він опублікував у квітні 1896 року і в якій була представлена одна з перших теорій парникового ефекту [1].
Атмосферний парниковий ефект на пальцях
Якби атмосфера Землі була прозора для всіх довжин хвиль, то рівновага між поглинанням сонячного світла і тепловим випромінюванням Землі сталося б при середній температурі -15 °С — все б замерзло. Насправді ця величина залежить від широти, але для орієнтації оцінка годиться. Ми точно знаємо, що Земля набагато тепліше. Причина в парниковому ефекті. Відразу зазначимо, що процес в атмосфері відбувається не зовсім так, як у теплицях, але назва закріпилася намертво.
Для початку припустимо, що хмар немає — цей випадок простіше. Тоді сонячне світло безперешкодно досягає поверхні і нагріває її. Поверхня випромінює на інших довжинах хвиль — в основному більше 5 мікрон. Але в цьому діапазоні у атмосфери є широкі спектральні інтервали низької прозорості через парникових газів. Це насамперед водяна пара і вуглекислий газ.
Але від рівноважної температури нікуди не дінешся: Земля зобов’язана излучить всю енергію, яку вона отримала від Сонця (нехтуємо нагріванням океану і власним теплом Землі). Випромінювання для неї — єдиний спосіб охолодження. І зробити це вона може тільки при ефективній температурі, близькій до рівноважної. Так це і відбувається: Земля випромінює при ефективній температурі -15 °С (термін «ефективна» включає в себе правильне усереднення по широті і спектру), але не з поверхні, а з високих шарів тропосфери, де температура якраз такого порядку. Це та висота, звідки інфрачервоні фотони безперешкодно відлітають у космос. А на поверхні температура в той же час набагато вище, це нам добре відомо, і зрозуміло, чому це так. Температурна залежність повітря від висоти, як правило, визначається адіабатичним законом. Якщо є вертикальна конвекція, то повітря, піднімаючись, охолоджується, а опускаючись, нагрівається, і температурна крива з висотою відповідає адиабате. Це типовий випадок.
Чим більше концентрація парникових газів, тим вище повинні випромінюватися фотони, щоб вони могли полетіти в космос, отже, тим вище повинен лежати шар з ефективною температурою -15 °С. А співвідношення температур для різних висот залишається тим же. Значить, у поверхні потеплішає при зростанні концентрації парникових газів.Зазвичай парниковий ефект пояснюють перенесенням фотонів, по суті їх дифузією, де замість розсіяння відбувається поглинання і випромінювання. Оскільки джерело теплових фотонів — поверхня Землі (саме вона переводить один фотон світла в кілька інфрачервоних фотонів), то концентрація ІЧ-фотонів, а отже, і температура повинні спадати знизу вгору. При цьому, якщо немає конвекції, то температурний перепад виходить ще більше, і земля б нагрілася набагато сильніше. Але це нестійкий варіант — конвекція обов’язково почнеться і згладить перепад температури до відповідності адиабате.
Хмарність змінює картину, вона стає більш складною, рівноважна температура трохи падає, але парниковий ефект в цілому продовжує працювати, іноді навіть сильніше — екстремальним прикладом такої ситуації є Венера.Це пояснення, звичайно, містить сильні спрощення (зокрема, основні обчислювальні проблеми «сидять» в усередненні по спектру, перенесення фотонів доводиться вважати чисельно), але в цілому вхоплює головні ефекти. З вищесказаного, зокрема, ясно, що атмосферна конвекція не скасовує парниковий ефект, як свідчить поширена помилка, а формує його.
Є кілька забавних ляпів, які кидаються в очі людині, хоч трохи знайомому з фізикою. Наприклад, у першій статті він плутає парціальний тиск газів (який вимірюється в гектопаскалях) і мольную концентрацію (в ppmv, або в об’ємних частинах на мільйон). Щоправда, у другій статті цього ляпу вже немає. В іншому місці він плутає нахил осі обертання Землі відносно площини екліптики (площини, яку утворює Земля, обертаючись навколо Сонця) з прецесією, називаючи його «кутом прецесії». Ну а особисто мій улюблений ляп ось цей: «молекули CO2 здатні нагріватися за рахунок поглинання інфрачервоного випромінювання», — молекули не можуть «нагріватися», оскільки «температура молекули» не має фізичного сенсу.
Мій улюблений ляп: «Молекули CO2 здатні нагріватися за рахунок поглинання інфрачервоного випромінювання»
Вже ці огріхи мали б насторожити уважного читача і змусити його поставити собі запитання: «Що за нісенітниця я читаю?!» Тепер дещо менш очевидних помилок, які може помітити тільки читач, володіє спеціальними знаннями.
«…За даними академіка В. М. Котлякова і нашими спостереженнями за сніговим покривом Полюса відносної недоступності Антарктиди, маса льоду і снігу цього континенту за останні 30-40 років істотно збільшувалася» — це твердження не відповідає дійсності (та й ніяких спостережень за сніговим покривом на Полюсі недоступності ніхто не веде, можливо, А. Р. плутає його із станцією «Схід»). У статті 2017 року Володимир Михайлович Котляков пише: «…в сучасну епоху глобального потепління маса льоду в Антарктиді, мабуть, убуває» [2]. По зміні маси льодовикових щитів Антарктиди і Гренландії останні роки вийшло безліч наукових статей, в тому числі і кілька оглядових. Зміна маси полярних льодовиків вивчається трьома незалежними способами: мас-балансовим методом, супутникового альтиметрией (точним виміром висоти поверхні льодовика) і зміною сили тяжіння. Ці методи дають один і той же результат: починаючи з 1990-х років Антарктида втрачає масу; в основному ці втрати локалізовані в Західній Антарктиді і на Антарктичному півострові; в Східній Антарктиді є зони, де маса прибуває і десь убуває, в цілому ж її баланс маси статистично не відрізняється від нуля [3]. З 1992 по 2017 рік Антарктида втратила близько трьох трильйонів тонн льоду. Те ж саме відбувається і в Гренландії, лише вона втрачає масу по всій периферії крижаного щита.
З 1992 по 2017 рік Антарктида втратила близько трьох трильйонів тонн льоду
Той факт, що Землі льодовики тануть, узгоджується з незалежними даними про зростання рівня Світового океану. Зараз рівень моря зростає приблизно на 3.5 мм/рік, але швидкість росту постійно збільшується. У XX столітті зростання рівня моря наполовину пояснюється тепловим розширенням води (при нагріванні її обсяг збільшується!) і таненням гірських льодовиків, а в XXI столітті основний внесок будуть давати тануть полярні щити Гренландії і Антарктиди.
Звідки ж Городницький взяв теза про зростання маси Антарктиди? Чесно кажучи, не знаю. Можливо, він плутає баланс маси льодовика і швидкість накопичення снігу в зоні акумуляції. Дійсно, є дані, що швидкість накопичення снігу (кількість снігу, яка щорічно випадає з атмосфери і відкладається на поверхні у вигляді снігового покриву) в центральній Антарктиді трохи зросла за останні 200 років [4]. Але це лише прибуткова частина балансу маси! Витратна частина балансу маси (протягом льоду з материка в океан, відкол айсбергів і танення крижаних шельфів) теж зросла, причому сильніше, ніж прибуткова частина.
Роль води в парниковому ефекті
Вода при її середньої концентрації в атмосфері сильніше поглинає теплове випромінювання, ніж вуглекислий газ. Чому при цьому всіх турбує саме підвищення концентрації СО2? Справа в тому, що водяна пара може дуже швидко з’являтися і зникати, а стабільна концентрація СО2 — вуглекислий газ може лише повільно накопичуватися або повільно поглинатися, він не може швидко конденсуватися. Таким чином, вуглекислий газ — провідний чинник, а водяна пара — ведений, його концентрація залежить від концентрації СО2 через температуру — чим сильніше парниковий нагрівання від вуглекислого газу, тим більше води в атмосфері — це позитивна зворотній зв’язок, посилює парниковий ефект.
З іншого боку, водяна пара згладжує адиабату, яка визначає висотну залежність температури: «мокра» адіабата положення «сухий» з-за того, що в висхідному потоці конденсується водяна пара і виділяється тепло. У цьому сенсі водяна пара пом’якшує парниковий ефект, який сам же і підсилює.
Таким чином, водяна пара в цілому дає сильний ефект, але скоріше в порядку зворотного зв’язку (і позитивною, і негативною), а не як самостійний фактор.
«Немає жодного достовірного доказу впливу парникових газів на клімати Землі». Таких доказів сотні! І багато з них були відомі задовго до публікації книги Гора та Кіотського протоколу. Парниковий ефект, поряд з зміною сонячної інсоляції (завдяки енергії Сонця) і геологічними факторами, що протягом всього XX століття розглядався кліматологами в якості основного фактора, що впливає на клімат планети. Прикладів можна навести безліч. Похолодання кам’яновугільного періоду пов’язують з бурхливим розвитком рослинності, яка вилучила багато вуглекислого газу з атмосфери. Оптимум еоцену (одна із самих теплих епох в історії планети) 52 млн років тому пояснюється дуже високою концентрацією CO2, якого в атмосфері тоді було близько 500-1000 ppm. Подальше поступове зниження кількості вуглекислого газу призвело до такого ж поступового похолодання, яке врешті-решт закінчилося утворенням полярних (спочатку в Антарктиді, потім у Північній півкулі) і гірських зледенінь. Так і антропогенний вплив на клімат зовсім не новина. Досить активно про це писали вже в 1960-х роках. У 1972 році російський кліматолог Михайло Іванович Будыко видав монографію «Вплив людини на клімат» [5], де, використовуючи відносно прості моделі, досить точно передбачив і концентрацію CO2 в атмосфері до кінця XX століття, і зростання температури повітря. Логіка була проста: чисельність населення буде зростати в геометричній прогресії (коли він видав монографію, людей на Землі було близько 3,5 млрд зараз понад 7 млрд, відповідно буде зростати і виробництво енергії, а значить, і споживання палива, яке, в свою чергу, збільшить вміст CO2 в атмосфері і викличе зростання температури повітря. Парниковий ефект тоді, 50 років тому, для кліматологів секретом не був.
«…Спочатку змінювалася температура, і тільки слідом за нею, через 500-600 років концентрація CO2». Ні, це не так. Усереднення палеоклиматических даних по всій планеті говорить про те, що при переході від останнього зледеніння до межледниковью (20-10 тис. л. н.) спочатку збільшувалася концентрація CO2, а слідом за нею з відставанням приблизно на 460 років зростала температура повітря [6]. Але чи означає це, що саме вуглекислий газ був першопричиною кліматичних коливань в минулому? Ні, не значить. Все було трохи складніше. Першопричиною є астрономічні цикли (так звані цикли Міланковіча), в ході яких трохи змінюється геометрія орбіти обертання Землі навколо Сонця, і за рахунок цього міняється кількість надходить від світила енергії. Таких циклів кілька. По-перше, з періодом в 40 тис. років трохи змінюється нахил осі обертання Землі до площини екліптики. Чим більше нахил осі (чим сильніше планета «завалений на бік»), тим більше енергії північне півкуля отримує влітку і тим менше взимку (і навпаки у південній півкулі). Наступний період — 26 тис. років — пов’язаний з так званою «прецесією рівнодення». Що це таке? Оскільки орбіта Землі не ідеально кругла, наша планета трохи ближче, то трохи далі від Сонця, причому ближче до світила (в точці перигелію) ми в січні, а далі все (в афелії) — в липні. Так ось, за рахунок прецесії дати проходження перигелію і афелия весь час трохи зміщуються. 13 тис. років тому Земля проходила точку перигелію в липні, відповідно в північній півкулі влітку за рахунок цього фактора енергії надходило трохи більше, а взимку — трохи менше (і навпаки у південній півкулі). Нарешті, є ще цикли (головний з яких близько 90 тис. років), пов’язані з ексцентриситетом орбіти, тобто з видовженістю еліпса, по якому Земля обертається навколо Сонця. Чим більше у неї кругла орбіта, тим менше вплив прецесії.
Таким чином, в ході циклів Міланковіча північне півкуля (а саме воно є провідним, коли мова йде про кліматичні зміни на планеті) отримує трохи більше, то трохи менше сонячної енергії. Але цих флуктуацій енергії недостатньо, щоб пояснити амплітуду температурних змін на планеті в минулому, потрібні ще якісь фактори. Зміна сонячної інсоляції служить поштовхом, який запускає каскад інших процесів. Невелике збільшення прийдешньої сонячної енергії 20 тис. років тому в північній півкулі літній період призвело до невеликого скорочення материкового зледеніння, ослаблення меридіональної циркуляції води в Атлантиці, зміни вуглецевого циклу планети і, як наслідок, збільшення концентрації CO2 в атмосфері. І ось вже у відповідь на посилення парникового ефекту почалося різке потепління і незворотний розпад льодовикових щитів Євразії і Північної Америки. Цьому процесу сприяли й інші чинники, наприклад, зменшення площі льодовиків знижує альбедо (відбивну здатність) планети. Чим нижче альбедо — тим більш темною поверхня виглядає — тим більше енергії вона отримує від Сонця — тим вище температура, тим сильніше танення льодовиків і т. д.
В даний час механізм кліматичних змін інше, але про це нижче.
«…В атмосферу надходить близько 7-10 млрд тонн вуглекислого газу, або 1.9–2.7 млрд тонн чистого вуглецю». У першій статті Городницького наводилися менші цифри, але й ці, виправлені, сильно занижені. В даний час за рахунок спалювання викопної органіки чоловік щорічно викидає в атмосферу 9,9 млрд тонн вуглецю (або близько 40 млрд тонн СО2), ще 1.4 млрд тонн дає землекористування. З них 2.5 млрд тонн розчиняється в океані (підвищуючи його кислотність), а 3.8 млрд тонн споживається наземною рослинністю. Залишок — близько 5 млрд тонн в рік накопичується в атмосфері [7].
Концентрація CO2 в атмосфері зараз досягла величини 405 ppm — це набагато більше, ніж за попередній мільйон років, коли вона змінювалася в межах від 180 ppm (в холодні епохи) до 280 ppm (в теплі).
«На противагу примітивному гіпотезі залежність клімату від однієї причини — концентрації в атмосфері парникових газів…» Ось ця фраза видає Олександра Мойсейовича з головою: він поняття не має, якими методами оперує сучасна кліматологія. Кліматичні моделі враховують і приходить сонячну активність, і вулканічну активність, і взаємодія атмосфери з океаном і сушею, і альбедо поверхні, і багато інші фактори, включаючи, звичайно ж, парникові гази. Якщо виключити вплив парникових газів, жоден з решти факторів, у тому числі сонячна активність, про яку Городницький так багато пише, ні всі вони разом не здатні пояснити спостережувані з 1970-х років зміни клімату.
Чим же відрізняється сучасне потепління від минулих епох, коли температура на Землі підвищувалася, а впливу людини явно не було? Давайте розбиратися.
Причини потепління наприкінці минулого льодовикової епохи 20-10 тис. років тому ми вже коротко розглянули. Як і сучасне потепління, то було глобальним, тобто в тій чи іншій мірі воно охоплювало всі галузі планети. Першопричиною його було плавне і повільне збільшення сонячної інсоляції влітку в північній півкулі в рамках циклу Міланковіча, яке послужило тригером, включив механізм парникового ефекту. Швидкість змін була досить низькою: за 10 тис. років температура планети зросла на 3,5 ºС (в тропіках менше, в полярних районах більше), тобто на 0,035 С/100 років. В сучасну ж епоху швидкість потепління близько 1 ° С/100 років, а якщо взяти період з 1970 року, то і того більше — 1,5 С/100 років! Тільки уявіть, швидкість змін зараз в 40 разів вище, ніж при такому масштабному глобальному подію, як закінчення льодовикового періоду… Як зазначено вище, ніякими природними факторами цей процес пояснити неможливо. Сонячна активність з 1960-х років дещо знизилася (а не росла, як пише Городницький), трохи компенсуючи вплив парникового ефекту. Що до циклів Міланковіча, то в масштабі сотні років їх вплив занадто мало, щоб зробити помітний вплив на клімат.
Ну а як щодо кліматичних аномалій історичного періоду, на які посилається А. Р., — середньовічного потепління (800-1200 роки н. е..) і похолодання Малої Льодовикової Епохи (1300-1850 роки н. е..)? Найголовніше, що про них треба знати: вони не були глобальними. Потепління в одному регіоні могло супроводжуватися відсутністю температурної аномалії (або навіть похолоданням) в іншому регіоні, тому при глобальному осреднении кліматична крива Землі за останні кілька тисяч років виглядає досить гладкою і лише в кінці XX століття задирається вгору [8]. Концентрація CO2 в ті епохи змінювалася несильно, і спостережувані регіональні аномалії пояснюються сонячної та вулканічною активністю.
Іншими словами, суто природні причини кліматичних змін в далекому минулому не виключають, що зараз основна причина змін — антропогенна. І з іншого боку, той факт, що зараз за кліматичні зміни відповідальність несе людина, не означають, що в давні епохи, коли діяльність людства була куди менш активною, ніж зараз, не могло бути природних змін клімату. Але — повторимо — нинішні антропогенні кліматичні зміни абсолютно безпрецедентні за останні тисячі років як по швидкості подій, так і по їх глобальним охопленням.
Чи чекає нас в майбутньому похолодання? Навряд чи. Основний фактор — парниковий ефект буде діяти ще багато десятків років, навіть якщо ми почнемо знижувати викиди прямо завтра. У більш віддалену епоху нас міг би чекати черговий льодовиковий період, оскільки ми справді перебуваємо на низхідній фазі циклу Міланковіча. Але на жаль, при концентрації CO2 в атмосфері більше 400 ppm ці цикли практично перестають діяти, і наступна льодовикова епоха нам не загрожує…
Чи чекає нас в майбутньому похолодання? Навряд чи. Парниковий ефект буде діяти ще багато десятків років
І на завершення ще одна фраза з Городницького, яка не є повністю невірною, але на ній тим не менше теж хочеться зупинитися:
«Збільшення концентрації цього газу в земній атмосфері, безумовно, є корисним чинником, що істотно підвищує продуктивність сільського господарства».
Дійсно, при збільшенні парціального тиску CO2 продуктивність рослин збільшується — правда, не нескінченно (оптимальна концентрація, після якої продуктивність буде знижуватися), і у всіх по-різному. Та й взагалі зрозуміло, що одних мінусів не буває, завжди знайдуться і плюси. Але тут ми вступаємо на слизький шлях складних фінансових підрахунків прибутків і збитків. В тому ж сільському господарстві ефект від збільшення продуктивності може бути зведений нанівець збитками від збільшення частоти екстремальних погодних умов, від хвороб та паразитів. Що краще — зростання в сільському господарстві або збитки при руйнуванні споруд в зоні багаторічної мерзлоти? При скороченні морського льоду в Арктиці що краще — вигоди для судноплавства (і це лише за умови, що Росія обзаведеться відповідною інфраструктурою) або збиток для місцевих екосистем і корінних народів?
Так чи інакше, з дуже великою ймовірністю до кінця XXI століття збиток від кліматичних змін істотно перевищить можливий прибуток…
А є ж ще й етичні питання! Чи ми зможемо насолоджуватися гіпотетичним підйомом сільського господарства на Північно-Заході Росії, знаючи, що у багатьох регіонах Африки та Азії від посухи і голоду гинуть люди? що цілі країни Океанії будуть змушені шукати собі нову територію для проживання? що по всьому світу гинуть унікальні екосистеми? Залишаю ці питання відкритими — відповідайте на них для себе самі.
А закінчити цю замітку можна фрази з самого Городницького: «… проблемами зміни клімату повинні займатися професійні вчені, а не дилетанти і політики». Ось з цим я абсолютно згоден!
Олексій Екайкин — провідний науковий співробітник лабораторії змін клімату і навколишнього середовища
Арктичного і антарктичного науково-дослідного інституту (ААНИИ) .