Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

Если бы этим все и ограничилось, Земля становилась бы все жарче и жарче, как духовка без термостата. Чтобы поддерживать достаточно стабильную температуру, наша планета должна излучать обратно в космос ровно то же количество энергии, которое она поглощает, – и она это делает. Однако у излучаемой энергии – по сравнению с поглощаемой – есть одно невероятно важное отличие. Поскольку температура Земли (в среднем) составляет 16 °C = 289 К, наша планета излучает эту энергию на длинах волн значительно более высоких, чем те, на которых к ней приходит энергия от Солнца с температурой 5780 К. Поскольку Земля примерно в двадцать раз холоднее, пик исходящего света приходится на инфракрасную часть спектра, со средней длиной волны в двадцать раз выше, или около 10 000 нанометров. И атмосфера не прозрачна для всех этих длин волн. В частности, молекулы водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂), озона (O₃), метана (CH₄), закиси Азота (N₂O) и других веществ, содержащихся в воздухе, поглощают часть исходящих длин волн и излучают их обратно к земной поверхности.

Опять же, если бы происходило только это, мы оказались бы в духовке. Но наличие слоя поглощающих газов, отбрасывающих обратно излишек энергии, приводит к тому, что поверхность нагревается (напомним, что энергию необходимо сохранять, она не может просто так взять и исчезнуть). Из-за этого молекулы океана и суши, в свою очередь, вибрируют немного более энергично, повышая температуру и сокращая длины излучаемых волн до тех пор, пока они не станут достаточно короткими, чтобы пройти сквозь преграду и уйти в космос. Это явление называется парниковым эффектом, поскольку стекло теплицы примерно так же пропускает солнечный свет, но оказывается частично непрозрачным для исходящего инфракрасного излучения и, таким образом, нагревает воздух внутри теплицы. Если бы не атмосферный покров, средняя температура Земли составляла бы около –5 °C, и планета, вероятно, представляла бы собой заледеневший мир, на котором жизнь вполне могла бы никогда не возникнуть. Парниковый эффект, как одеяло в промозглый вечер, – вещь хорошая.

Однако хорошего может быть слишком много. Если холодным вечером вы укроетесь пятью одеялами, то, скорее всего, через час проснетесь в поту – вы заблокировали все тепло, которое пытается покинуть ваше тело в форме инфракрасного излучения, и поскольку ваша пищеварительная система беспечно работает, высвобождая энергию из того мороженого, которое вы съели на десерт, ваша температура начинает повышаться.

Глобальное потепление, предсказанное Брокером, представляет собой именно такое явление. Углекислый газ выбрасывается в атмосферу, когда атомы Углерода в ископаемом топливе (давно вымершие растения, поглощавшие CO₂ из воздуха 100 с лишним миллионов лет назад, в эпоху динозавров) сгорают (иными словами, соединяются с O₂) и снова выделяют углекислый газ, CO₂. А растущее количество молекул атмосферного CO₂ действует подобно лишнему одеялу. С начала промышленной революции, начавшейся в конце XVIII века, мы выбросили в атмосферу примерно 1000 миллиардов тонн CO₂. Поэтому, как и предсказывал Брокер, температура земной поверхности возрастает до уровня, которого не наблюдалось уже долгие тысячи лет.

Хотя изменение температуры на 1 °C может показаться не очень значительным, его последствия уже очевидны – это и более интенсивные и долгие периоды аномальной жары, и лесные пожары от Амазонки до Сибири, и более сильные шторма, и таяние ледников, и повышение уровня моря, и изменение характера засухи, вполне способной подорвать сельскохозяйственное производство, необходимое для того, чтобы прокормить 8 миллиардов человек, живущих на планете. Как отмечалось выше, рост температуры, похоже, ускоряется, и лучшие современные модели предсказывают, что, если мы продолжим идти нынешним путем, среднее повышение глобальной температуры составит как минимум 4 °C к концу нынешнего столетия. Прогнозируемый рост температуры приведет к колоссальным потрясениям во всем мире, в том числе и к вынужденной миграции сотен миллионов людей; к массовой нехватке продовольствия; к повышению уровня моря на метр и более, что приведет к затоплению многих прибрежных городов; и ко многим другим пагубным последствиям. Насколько мы уверены в этих предсказаниях?

Рамки этой книги не позволяют нам во всех подробностях оценить климат Земли и рассмотреть модели, которые бы позволили сделать прогноз о его будущей эволюции. Климатическая система сложна, и нужно тщательно учитывать взаимодействие многих параметров. Основное ограничение в построении климатических моделей – относительная нехватка качественных данных, с помощью которых мы можем их проверить. Сведения о температуре, измеренной непосредственно, получены лишь за последние 140 лет, а об осадках, засухах, составе атмосферы и других важных факторах нам известно еще меньше. Безусловно, нам очень пригодились бы более подробные записи о климате минувших эпох, с которыми можно было бы сравнивать наши модели будущего. К счастью, наши историки-атомы дают нам множество таких данных, позволяя судить о том, что происходило миллионы лет назад. В этой главе они поведают свои истории. Но сперва мы ответим вот на какой вопрос: откуда берется весь дополнительный CO₂, попадающий в атмосферу?

Откуда взялся новый CO₂?

Прямые измерения содержания CO₂ в атмосфере начались в 1958 году⁶. За последние шестьдесят пять лет количество молекул CO₂ выросло с 315 на каждый миллион частиц воздуха до 420 миллионных долей (ppm), то есть стало на 33 % больше⁷. Из некоторых письменных свидетельств, о которых мы поговорим позже в этой главе, нам известно, что такие изменения происходили в далеком прошлом, задолго до появления человека: уровень CO₂ был и намного выше, чем в наши дни, и намного ниже. Так откуда же наша уверенность в том, что именно человеческая деятельность, в частности сжигание ископаемого топлива (и тропических лесов), стала причиной недавнего подъема? Может быть, это колебание вызвано теми же естественными механизмами, которые вели к значительным изменениям в прошлом? Как это уже стало привычным в наших исторических экскурсах, убедительные доказательства нам предоставят изотопы Углерода.

В главе 10 мы видели, что растения – это их пища, и большая часть того, что они едят, – это CO₂. Но подробный рассказ о фотосинтезе позволил нам увидеть, что они далеко не беспристрастны в еде, – поглощая молекулы CO₂ из воздуха и встраивая их в свои молекулы, они неохотно усваивают медленные и тяжелые изотопы ¹³C и ¹⁴C. В главе 8 мы также видели, как деревья (в основном C3-растения) становятся идеальным календарем для изучения прошлого: каждое годичное кольцо соответствует определенному году, а наша общая летопись уходит в прошлое почти на 14 000 лет. Соотношение ¹⁴C/¹²C в отдельных годичных кольцах позволило нам точно определить скорость образования радиоактивного изотопа Углерода и повысить точность радиоуглеродного датирования. А теперь настало время обратиться к соотношению стабильных изотопов ¹³C/¹²C и к соотношению ¹⁴C/¹²C, чтобы однозначно опознать источник растущей концентрации CO₂ в атмосфере.

Поскольку ¹³C и ¹²C – стабильные изотопы и общее количество каждого из них в окружающей среде постоянно, то можно ожидать, что соотношение ¹³C/¹²C в куске старой древесины будет таким же, как и в современном живом дереве. И действительно, если изучить годичные кольца деревьев и аналогичные годичные кольца кораллов возрастом от тысячи и более лет, то мы увидим, что соотношение ¹³C/¹²C остается неизменным и составляет более 1 части на 10 000, – примерно до 1800 года.

Промышленная революция конца XVIII – начала XIX века ознаменовала появление нового крупного источника выбросов CO₂ в атмосферу – сжигания ископаемого топлива. Сначала, в последние десятилетия XVIII века, жгли уголь, затем, в 1820-х годах, – природный газ, а потом, в 1860-х годах, – нефть, благодаря чему произошел взрывной рост обрабатывающей промышленности и производства стали, создавших современный мир. Все эти три вида топлива производятся из материала растений (а также небольшого количества водорослей и планктона), существовавших в период от 360 до 66 миллионов лет назад (см. гл. 12). Как и их современные сородичи, древние С3-растения, произраставшие густыми лесами, избирательно относились к поглощению ¹³CO₂, вследствие чего в их ископаемых останках наблюдается низкое соотношение ¹³C/¹²C. Сегодня мы ежегодно сжигаем около 40 миллиардов тонн этих древних растений с дефицитом ¹³C, а значит, общее соотношение ¹³C/¹²C в атмосфере должно снижаться.