Стоит ли бояться накопления
углекислого газа в тропосфере
и озоновых дыр в стратосфере?

О.Г. СОРОХТИН
академик РАЕН,
Заслуженный деятель науки Российской Федерации,
заведующий лабораторией Института океанологии РАН

Существуют, казалось бы, очевидные представления, которые как аксиомы часто принимаются на веру даже без критической проверки. Так, до Коперника и еще долго после него очевидным казалось, что именно Солнце вращается вокруг неподвижной Земли, а не Земля вокруг Солнца. Кто сомневался в этом, мог воочию наблюдать с утра до вечера за движением дневного светила по небосводу с востока на запад вокруг неподвижной Земли. Очевидно? Да. Но неверно.
Аналогичная ситуация «очевидности» в настоящее время наблюдается и с идеей парникового эффекта*. Нам со школьной скамьи внушали, что за счет поглощения парниковыми газами тепла, идущего от прогретой поверхности Земли, нагревается и воздух над Землей. Это действительно так, но отсюда делался вывод, что чем больше в атмосфере таких газов, особенно углекислого газа, тем теплее воздух над Землей и тем теплее поверхность самой Земли. Но правильность этого еще надо проверить.

Идея о разогреве земной атмосферы парниковыми газами впервые была высказана в конце XIX столетия известным шведским ученым С. Аррениусом и с тех пор принимается на веру практически без проверки. Эта точка зрения и сейчас полностью доминирует в заключениях Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), организации «Гринпис», Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП), Всемирной метеорологической организации (ВМО), а также в выводах российских экологических и научных организаций. Эта же точка зрения была полностью поддержана решениями международных экологических конгрессов в Рио-де-Жанейро в 1992 г. и в Киото, Япония, в 1997 г. Согласно прогнозам сторонников этих идей, к 2100 году потепление климата может достигнуть 2,5—5 °C, а вызванное этим потеплением повышение уровня океана составит 0,6—1 м, что уже может создать определенные проблемы для густонаселенных районов континентальных побережий, а также для газо- и нефтедобывающих производств в низменных зонах большей части побережий севера России. Прогнозируются и другие губительные для природы последствия глобального потепления — расширение пустынь, исчезновение мерзлоты, эрозия почв и т.д.
Опасения аналогичных катастрофических явлений и давление экологических организаций, а часто и просто спекуляции на эту тему заставляют правительства развитых стран выделять огромные средства на борьбу с последствиями потепления климата, якобы связанного с антропогенными выбросами в атмосферу «парниковых газов». А насколько справедливы эти расходы? Не воюем ли мы с ветряными мельницами?
Теории парникового эффекта как таковой до последнего времени вообще не существовало, а все расчеты влияния концентрации СО₂ на климат Земли носили интуитивный характер и проводились по разным моделям, с введением в них многочисленных и не всегда правильно выбранных параметров. При этом часто считают, что чем большее число параметров вводится в модель, тем, мол, модель становится более реальной. В результате такое моделирование климатов Земли оказывалось вообще некорректным, поскольку на самом деле как раз наоборот: модель тем устойчивей, чем меньше в нее введено исходных параметров.

Основы адиабатической теории
парникового эффекта

Парниковым эффектом атмосферы называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой**, под которой эта планета видна из космоса. Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна +15 °С, а ее эффективная температура –18 °С, следовательно, парниковый эффект на Земле сейчас равен +33 °С. Так как Земля обладает сравнительно плотной атмосферой, в нижнем и наиболее плотном слое атмосферы — тропосфере, толщиной около 12 км, перенос тепла происходит не радиационным путем, как это представляют себе сторонники «классического» подхода к парниковому эффекту, а в основном благодаря конвективным движениям воздушных масс. Действительно, в плотной тропосфере, с давлением больше 0,2 атм. (около 200 гПа, или 150 мм рт. ст.), всегда доминирует вынос тепла воздушными потоками, то есть путем конвективного перемещения воздушных масс, при котором теплый воздух расширяется, становится более легким и поднимается вверх, а холодный, наоборот, сжимается, тяжелеет и опускается вниз. Радиационный же перенос тепла доминирует только в разреженных слоях стратосферы, мезосферы и термосферы. Отсюда следует первый вывод, что среднее распределение температуры в толще тропосферы должно быть близким к адиабатическому распределению, то есть учитывающим расширение и охлаждение воздуха при его подъеме, и, наоборот, сжатие и разогрев воздуха при его опускании.
Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, а облачность является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли (ее альбедо). Это создает сильную отрицательную обратную связь между приземной и радиационной температурами Земли, что приводит к стабилизации температурного режима тропосферы. Действительно, любое повышение приземной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это в свою очередь повышает альбедо планеты и отражательную способность земной атмосферы. В результате увеличивается отражение солнечного тепла от облаков в космос, а поступление тепла на Землю — сокращается, и средняя температура земной поверхности снижается до прежнего уровня.
Для получения локальных климатических характеристик планеты в рассматриваемые модели следует ввести альбедо земной поверхности и привнос тепла циклонами. При таком подходе становится вполне понятным переохлаждение земной поверхности в зимнее время под антициклоническими областями. В таких условиях земная поверхность покрыта слоем снега с высоким альбедо, ее прогрев солнечным излучением оказывается незначительным; это приводит к переохлаждению воздуха и наступлению «трескучих морозов». При стоянии устойчивых антициклонов, то есть при отсутствии привноса дополнительной энергии более теплыми воздушными массами, в таких заснеженных регионах происходит общее переохлаждение тропосферы. Яркими примерами такого переохлаждения воздуха могут служить условия, возникающие в центральных районах Антарктиды, чему неоднократно был свидетелем и автор данной статьи, а также зимой в Якутии и Верхоянье. Но как только антициклонический режим в тропосфере сменяется циклонической деятельностью, сразу же восстанавливается конвективное перемешивание воздушных масс, происходит потепление и в среднем вновь приблизительно восстанавливается рассмотренное здесь адиабатическое распределение температуры. В летнее же время в таких антициклонических областях с сухим воздухом, но без снежного покрова, наоборот, происходит перегрев приземных слоев тропосферы приблизительно на 4—5 °С и даже выше, со всеми симптомами засухи, что часто случается, например, в степях нашего Заволжья.

Некоторые прогнозные оценки

Насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температуры планеты.

Объясняются эти, казалось бы парадоксальные, результаты тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим тропосферы, являются давление атмосферы и ее эффективная теплоемкость. Действительно, нагретые за счет поглощения инфракрасного (теплового) излучения объемы воздуха расширяются, становятся легче окружающих воздушных масс и поэтому быстро поднимаются вверх, вплоть до низов стратосферы, где они и теряют избытки своего тепла в результате радиационного излучения. Таким образом, насыщение атмосферы углекислым газом может привести только к ускорению конвективного массообмена в тропосфере, но не к изменению ее температурного режима. Кроме того, при одинаковых давлениях (массах) теплоемкость углекислотной атмосферы оказывается всегда меньшей, чем теплоемкость азотно-кислородной атмосферы. При этом, из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом, углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и, подобно тонкому одеялу, хуже сохраняет тепло на поверхности планеты по сравнению с более толстым «пуховым» одеялом азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоемкостью.
Рассмотрим теперь влияние антропогенного выброса углекислого газа в атмосферу на климат Земли. По разным оценкам, в настоящее время за счет сжигания природного топлива в атмосферу поступает около 5—7 млрд т углекислого газа, или от 1,4 до 1,9 млрд т чистого углерода. Такое колоссальное количество поступающего в атмосферу углерода влияет не только на состав ее газовой смеси и снижение теплоемкости, но и несколько увеличивает общее давление атмосферы. Эти два фактора действуют в противоположных направлениях, в результате средняя температура земной поверхности почти не меняется. Практически не изменится она, даже если концентрация углекислого газа увеличится вдвое, что ожидается к 2100 г. Если же учесть, что большая часть поступающего в атмосферу углекислого газа растворяется в океанических водах и далее (при гидратации пород океанической коры) связывается в карбонатах, то может оказаться, что вместе с углеродом в карбонаты перейдет и часть атмосферного кислорода. Тогда вместо слабого повышения атмосферного давления следует ожидать его незначительное уменьшение и, следовательно, столь же слабое похолодание климата (но не его существенное потепление, как это предполагают ортодоксальные экологи).
К аналогичным выводам сейчас пришли и многие ученые США, изучавшие изменения климата в разных регионах Северной Америки. Согласно их данным, в наше время фактически не происходит никакого потепления климата. В этой связи известный американский ученый, бывший президент Национальной академии наук США Ф. Зейтц, пишет: «Экспериментальные данные по изменению климата не показывают вредного влияния антропогенного использования углеводородов. В противоположность этому, имеются веские свидетельства, что увеличение содержания в атмосфере углекислого газа является полезным». Ф. Зейтц подготовил петицию ученых правительству Соединенных Штатов Америки с призывом отказаться от Международного соглашения по глобальному потеплению климата, заключенному в Киото, Япония, в декабре 1997 г., и от других аналогичных соглашений. В этой Петиции, в частности, говорится: «...Не существует никаких убедительных научных свидетельств того, что антропогенный выброс диоксида углерода (углекислого газа. — О.С.), метана или других парниковых газов причиняют или могут в обозримом будущем вызвать катастрофическое прогревание атмосферы Земли и разрушение ее климата. Кроме того, имеются существенные научные свидетельства, показывающие, что увеличение концентрации в атмосфере диоксида углерода приводит к положительному влиянию на естественный прирост растений и животных в окружающей среде Земли». К настоящему времени эту петицию уже подписало около 17 тысяч ученых и инженеров США.
Из приведенных оценок следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осредненных показателей теплового режима Земли и парникового эффекта атмосферы. Более того, увеличение концентрации этого газа в земной атмосфере, безусловно, является полезным фактором, повышающим продуктивность сельского хозяйства и способствующим более эффективному восстановлению растительной массы в районах сведения лесов.
Если же глобальный климат Земли в настоящее время все-таки действительно испытывает заметное потепление, то скорее всего это окажется временным явлением, и причину ему надо искать в других процессах и явлениях, например: в неравномерности солнечного излучения, в прецессии собственного вращения Земли, в неустойчивости океанических течений или в изменениях их циркуляции, вызванных другими причинами. Так, например, между осредненной температурой земной поверхности и магнитной активностью Солнца, определяемой по числу солнечных пятен на его поверхности, как видно из рисунка 2, наблюдается весьма сильная корреляция. Кроме того, не следует забывать, что наблюдаемое сейчас вековое потепление климата началось еще в начале XVII в., когда о техногенных выбросах углекислого газа в атмосферу и говорить не приходилось. И это потепление наблюдается на общем фоне похолодания (рис. 3). Что же касается потепления последних десятилетий (если оно действительно наблюдается), то это может оказаться временным явлением, развивающимся, например, на фоне общего долговременного изменения климата.

Аналогичные колебательные процессы в природе распространены достаточно широко. Можно вспомнить хотя бы историю изменений уровня Каспийского моря: после многих лет его обмеления в середине 80-х годов уровень моря вдруг стал сам по себе подниматься, да еще с угрожающей скоростью. А сколько было спекуляций по поводу антропогенного влияния на процесс осушения Каспия! Ведь чуть было не осуществили самый дорогой из всех «проектов века» — по переброске северных рек на юг (слава Богу, не успели).
В эволюционном же плане, начиная приблизительно с середины мезозоя (около 150—100 млн лет назад), происходит постепенное похолодание климата. Объясняется это удалением азота из атмосферы и связыванием его в нитратах и нитритах почвенного покрова. В результате атмосферное давление за последние 100 млн лет постепенно падало, а это приводило к похолоданию климата, причем сейчас такое похолодание не компенсируется даже плавным увеличением интенсивности солнечного излучения. Об эволюционном похолодании климата говорят и многочисленные геологические данные. Например, полное отсутствие следов оледенений в мезозое и появление первых ледниковых покровов в Антарктиде в середине кайнозоя (около 40 млн лет назад),
а в четвертичное время (приблизительно последние 1—2 миллиона лет) и периодических оледенений в Северном полушарии. Сейчас мы живем в эпоху межледниковья, но когда наступит новая фаза оледенения, то следует ожидать ее повышенной суровости.

Аргументы сторонников
классического подхода к
проблеме парникового эффекта

Рассматривая проблемы парникового эффекта, нельзя обойти молчанием и аргументы последователей идеи С. Аррениуса о прямом воздействии концентрации углекислого газа на температуру тропосферы. Так, сторонники этих идей обычно приводят данные по содержанию углекислого газа в пробах воздуха из древних слоев фирна Гренландии и Антарктиды, показывающие, что в периоды межледниковых потеплений концентрация этого газа в атмосфере всегда повышалась (рис 4).

В настоящее время мы живем в эпоху снижения температуры и повышения или стабилизации концентрации СО₂ в атмосфере.

Аналогичный эффект, только в значительно большей степени, по мнению тех, кто придерживается традиционной точки зрения, наблюдался в теплые климатические эпохи, например в меловом периоде. Формально это так. Однако при объяснении этих явлений происходит явная подмена причины следствием — ведь повышение парциального давления углекислого газа в атмосфере может быть не причиной потепления климата, а только его следствием.
Интересно отметить, что на приведенных графиках температурных колебаний климата, определенных по керну ледникового покрова Антарктиды, кривая температурных колебаний явно опережает соответствующие им изменения концентраций углекислого газа. Таким образом, судя по этим данным, температурные колебания действительно первичны, а изменения содержания углекислого газа в атмосфере — лишь следствие этих колебаний.
Объясняется это зависимостью растворимости углекислого газа в океанических водах от температуры: с повышением температуры растворимость заметно уменьшается. Устанавливается динамическое равновесие между концентрацией газа в атмосфере и его содержанием в гидросфере. Сейчас в водах океанов растворено углекислого газа приблизительно в 57—60 раз больше, чем его содержится в атмосфере. Если же в результате изменения температуры океанических вод содержание углекислого газа в Мировом океане изменится, то установится новое равновесие, при котором часть углекислого газа перейдет из океана в атмосферу или, наоборот, из атмосферы в океан. И всегда потеплениям климата будут соответствовать увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, а похолоданиям — ее снижение. Интересно отметить, что задержки изменений концентрации углекислого газа по сравнению с изменениями температуры на приведенных на рисунке 3 кривых приблизительно соответствуют времени полного перемешивания вод Мирового океана (несколько тысяч лет).
То же относится и к «теплому» меловому периоду. Так, по нашим оценкам, в атмосфере мелового периода, когда средняя температура вод Мирового океана была приблизительно на 15 °С выше современной, парциальное давление углекислого газа в земной атмосфере превышало его современный уровень приблизительно в 1,7—2 раза. Такое повышение содержания углекислого газа в атмосфере мелового периода являлось естественным следствием климатических изменений того времени, а вовсе не его причиной. Истинная же причина теплого климата мелового периода была связана, по-видимому, с некоторым повышением давления атмосферы в мезозое (за счет усиления генерации кислорода после появления и широкого распространения тогда цветковых растений) и с дрейфом континентов. Большинство материков тогда располагались в низких и умеренных широтах, а теплые океанические течения проникали далеко в высокие широты, согревая своими водами берега наиболее приближенных к полюсам континентов (например, Антарктиды). Поэтому средняя температура Земли в меловом периоде была приблизительно на 2,5—3 °С выше современной, а климат — более равномерным, без ледяных шапок на полюсах.

Cитуация с так называемыми
озоновыми дырами

Хотелось бы попутно отметить и близкую по ситуации проблему происхождения так называемых озоновых дыр*** в полярных и умеренных широтах. Известно, что в стратосфере под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца кислород частично преобразуется в трехатомный газ — озон, задерживающий и поглощающий жесткое солнечное излучение. Поэтому возникающий в стратосфере озоновый слой фактически является защитой от губительной для всего живого на Земле ультрафиолетовой солнечной радиации. Разрушение этого слоя, естественно, представляет собой большую опасность для жизни на Земле. Отсюда понятно большое внимание, уделяемое учеными изучению озонового слоя Земли и проблеме озоновых дыр в стратосфере.
Под озоновыми дырами обычно понимаются участки стратосферы в полярных и умеренных широтах, с пониженной приблизительно на 20—30% концентрацией озона. Обычно такие дыры возникают в весенне-зимние периоды над местами стояния устойчивых антициклонов, например в Антарктиде или над Якутией. Связано это с тем, что зимой резко уменьшается солнечная инсоляция, а в полярных широтах она и вовсе пропадает. Кроме того, над антициклоническими областями обычно происходит подъем воздушных масс и их перетекание в стратосферу, в результате чего озоновый слой над ними как бы развеивается. Летом же, как правило, озоновые дыры резко сокращаются по площади или пропадают полностью.
Паника с озоновыми дырами у нас возникла только после того, как в конце 50-х годов научились измерять содержание озона в атмосфере, а до того жили спокойно и ни о чем не беспокоились. Впервые озоновую дыру обнаружили в Антарктиде, как раз в то время, когда там проводил исследования и автор данной статьи. Вскоре после этого вокруг проблемы таких дыр появилась масса спекуляций по поводу антропогенного влияния на их появление. Так, наиболее модным стало обвинять в этом промышленность, выпускающую бытовые аэрозольные баллончики для распыления красок и дамской парфюмерии, а также холодильную промышленность, использующие в своих целях легко сжижаемый газ фреон. При этом, правда, оставалось непонятным, почему наиболее глубокие и обширные озоновые дыры наблюдаются в Антарктиде, в Южном полушарии, тогда как максимум антропогенных выбросов фреонов происходит в Северном. Непонятно также, чем виноваты промышленные фреоны, когда в несоизмеримо больших количествах аналогичные, но природные фреоны поступают в атмосферу при вулканических извержениях.
Однако главными разрушителями озонового слоя являются не фреоны, а метан и водород. Вопреки существующим взглядам о главенствующей роли техногенных фреонов в разрушении озона земной атмосферы, их влияние ничтожно по сравнению с ролью природных эманаций метана, водорода и природных же фреонов вулканического происхождения. Действительно, в настоящее время техногенный выброс фреонов не превышает 100 тыс. т в год, тогда как только за счет «дыхания» океанов в атмосферу поступает метана и водорода порядка нескольких миллионов тонн в год. По некоторым оценкам, выделение из океанов метана достигает 16 млн т в год. К этому следовало бы добавить десятки миллионов тонн метана, выделяемого болотами северных регионов Канады и Евразии, а также почвами умеренных широт и особенно рисовыми полями. Всего же масса этих ежегодно поступающих в атмосферу природных газов достигает многих десятков миллионов тонн. Соединение этих газов с озоном протекает путем многоступенчатых реакций, конечные формы которых приводят к образованию воды и выделению свободного кислорода.
Таким образом, природных метана и водорода, не считая вулканогенных фреонов, поступает в атмосферу на три порядка больше, чем техногенных выбросов фреонов, и к тому же их тепловой эффект на порядок выше, чем у фреонов. Отсюда можно заключить, что роль антропогенного воздействия на озоновый слой в стратосфере Земли, в котором и возникают озоновые дыры, пренебрежимо мала — на несколько порядков ниже влияния природных факторов. Все колебания концентрации озона в земной атмосфере носят исключительно природный характер и никак не связаны с деятельностью человека.
Как показал член-корреспондент РАН, профессор А.П. Капица, концентрация озона в стратосфере меняется с сезонной периодичностью, и ничего страшного в этом нет. Более того, в процессе исследований выяснилось, что на экваторе и в тропических широтах концентрация озона оказалась заметно более низкой, чем даже в наиболее глубоких озоновых дырах в приполярных областях. И ничего страшного для жизни на этих широтах не происходит. Отсюда видно, что проблема озоновых дыр — это тоже своего рода ветряные мельницы Дон Кихота, на борьбу с которыми, однако, также тратятся колоссальные средства. Так, по некоторым оценкам, только на выполнение обязательств по Монреальскому протоколу к Венской конвенции 1985 г. о сохранении озонового слоя, Россия должна тратить около 5 млрд долл. в год, а разовый убыток от уничтожения и замены существующего оборудования, использующего фреоны, составляет еще около 10—15 млрд долл. Безусловно, этим средствам можно найти и лучшее применение, например, пустить часть этих денег на развитие в России фундаментальной науки, которая сейчас влачит жалкое существование.

***

Настало время пересмотреть традиционные взгляды на природу парникового эффекта и озоновых дыр, перестать пугать общественность и правительства последствиями антропогенного выброса углекислого, других «парниковых» газов и фреонов в атмосферу. Хватит выбрасывать и государственные средства на борьбу с несуществующими угрозами, этим средствам можно найти и лучшее применение. Увеличение концентрации углекислого газа в земной атмосфере не может привести ни к каким вредным последствиям для экологических условий и климата Земли, тогда как польза от этого может оказаться большой, поскольку, как уже отмечалось, углекислый газ стимулирует развитие жизни на Земле и, в частности, являясь «хлебом» для всех растений, увеличивает продуктивность сельского хозяйства. Надо также смириться с тем, что колебания концентрации озона в стратосфере есть природный процесс, существовавший еще задолго до появления на нашей планете человека, и что этот процесс, как и парниковый эффект, саморегулируется, а все живое на Земле уже давно к нему приспособилось.

* См.: Горшков С.П. Лечение климата при не установленном диагнозе // География,
№ 20/2003, с. 23–31. — Прим. ред.
** Радиационная температура — величина, характеризующая полную (по всему спектру) энергетическую яркость излучающего тела.
*** Ламанова Е.В. Как залатать озоновые дыры? // География,
№ 41/2000, с. 3—4.