Источник информации: http://www.aircon.ru/useful/details.php?item_num=501

Журнал "Промышленные ведомости.  2004. № 1 — 12.

Стоит ли бояться парникового эффекта и озоновых дыр?
Мировые войны с ветряными мельницами

Олег Сорохтин

профессор, доктор физ.-мат. наук, заведующий лабораторией Института океанологии РАН

«Очевидное» — невероятное

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 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” Земли. Очевидно? Но невероятно.
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. Отсюда делался “очевидный” вывод, что чем больше в атмосфере таких газов, особенно углекислого газа, тем теплее воздух над Землей и тем теплее поверхность самой Земли. Очевидно? Но вероятность этого еще надо доказать. А она не доказана.

   Идея о разогреве земной атмосферы парниковыми газами впервые была высказана в конце прошлого 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), организаций 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 климат может потеплеть на 2,5 – 5 ^оС, а вызванное этим потеплением повышение уровня океана достигнуть 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 бoльшей части побережий севера России. Прогнозируются и другие губительные для природы последствия глобального потепления — расширение пустынь, исчезновение мерзлоты, эрозия почв и др.
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 ведем ли мы борьбу с "ветряными мельницами"? При ближайшем знакомстве с этой проблемой становится понятно, что теории парникового эффекта как таковой вообще не существовало.

По энциклопедическому определению, парниковым эффектом называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой, с которой эта планета наблюдается из космоса. Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна +15^оС, а ее эффективная температура -18оС, следовательно, парниковый эффект на Земле сейчас равен
+33 ^оС. Так как Земля обладает сравнительно плотной атмосферой, то в ее нижнем и наиболее плотном слое — тропосфере, толщиной около 12 км — перенос тепла происходит не радиационным путем (путем излучения), как это представляют себе сторонники “классического” подхода к парниковому эффекту, а в основном благодаря конвективным движениям воздушных масс. Действительно, в плотной тропосфере с давлением, большим 0,2 атм., всегда доминирует вынос тепла воздушными потоками, т. е. путем их конвективного массообмена. При этом теплые массы воздуха расширяются и поднимаются вверх, а холодные, наоборот, сжимаются и опускаются вниз. Радиационный же перенос тепла доминирует только в разреженных слоях стратосферы, мезосферы и термосферы.

Конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, а облачность является главным фактором, определяющим отражательную способность Земли — ее альбедо. Это создает сильную отрицательную обратную зависимость 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 тем самым 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 вновь снижается до прежнего уровня. При этом надо учитывать, что отрицательная обратная связь в системе приводит к линейной зависимости реакции на выходе системы от воздействия на ее входе. Это свойство систем с отрицательными обратными связями универсально и проявляется вне зависимости от природы самих систем, будь то атмосфера планеты, электронный усилитель или центробежный регулятор Уатта в паровых машинах. В нашем случае входным сигналом является температура, характеризующая собой солнечное излучение на расстоянии Земли от Солнца (для Земли эта температура, называемая температурой “абсолютно черного тела”, равна 278,8 К = +5,6^оС).

Причины и следствия

    Насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температуры планеты.

Объясняется это тем, что, как отмечалось, вынос тепла из тропосферы в основном происходит благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим плотных планетных тропосфер, 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 путем 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 бoльшей 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.

По разным оценкам, в настоящее время за счет сжигания природного топлива в атмосферу поступает около 5-7 млрд. тонн углекислого газа или 1,4-1,9 млрд. тонн чистого углерода. Это колоссальное количество поступающего в атмосферу углерода не только влияет на состав газовой смеси и снижение теплоемкости, но и несколько увеличивает общее давление атмосферы. Оба эти фактора действуют в противополож-ных направлениях, в результате чего 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 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), метана или других парниковых газов причиняет или может в обозримом будущем вызвать катастрофическое прогревание атмосферы Земли и разрушение ее климата. Кроме того, имеются существенные научные свидетельства, показывающие, что увеличение в атмосфере концентрации 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 осредненные показатели теплового режима Земли и ее парниковый эффект. 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, оно окажется временным. 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, наблюдается весьма сильная корреляция. Кроме того, не следует забывать, что наблюдаемое сейчас вековое потепление климата началось еще в начале XVII века, когда о техногенных выбросах углекислого газа в атмосферу и говорить-то не приходилось. Причем это локальное потепление наблюдается на общем фоне похолодания (см. рис. 1). 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 Каспий вдруг стал сам по себе подниматься, да еще с угрожающе катастрофической скоростью. А сколько было спекуляций по поводу антропогенного влияния на процесс его обмеления! Ведь чуть было не осуществили самый дорогой из всех "проектов века" по переброске северных рек на юг (слава Богу, не успели).

Рис. 1. Поверхностные температуры Саргассова моря (с осреднением около 50 лет), определенные по изотопным отношениям кислорода в остатках планктонных морских организмов, погребенных в донных отложениях (Kegwin I.D.// Science. 1996. Vol. 274. P. 1504-1508). Горизонтальной линией отмечена средняя температура за 3000-летний период.

В эволюционном 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 межледниковом стадиале, но когда ему на смену придет новая фаза оледенения, следует ожидать ее повышенной суровости.

Рассматривая проблемы парникового эффекта, нельзя обойти молчанием и аргументы последователей идеи С. Аррениуса о прямом воздействии концентрации углекислого газа на температуру тропосферы. Так, сторонники эти идеи 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 (см. рис. 2). Аналогичный эффект, только в значительно большей степени, по их мнению, 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.

Рис. 2. Корреляция изменений концентраций углекислого газа с изменениями температуры воздуха за последние 420 тыс. лет на антарктической станции «Восток» (на графиках время направлено справа налево). Ход температурной кривой опережает изменения СО2 приблизительно на 5-8 тыс. лет, т. е. на время полного перемешивания вод Мирового океана? главного резервуара свободного СО2 на Земле (в современном океане растворено СО2 приблизительно в 60 раз больше, чем его содержится в атмосфере). В настоящее время мы живем в эпоху снижения температуры и повышения или стабилизации концентрации СО2 в атмосфере.

Действительно, на приведенных графиках температурных колебаний климата, определенных по керну ледникового покрова Антарктиды, температурные колебания за последние 420 тысяч лет явно опережают соответствующие им изменения концентраций углекислого газа. Таким образом, судя по этим данным, температурные колебания действительно являются первичными, а изменения содержания углекислого газа в атмосфере – лишь следствием этих колебаний.

Объясняется это отрицательной температурной зависимостью растворимости углекислого газа в океанических водах и характером установления динамического равновесия 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 за счет 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. Но поскольку растворимость этого газа в воде заметно уменьшается с ростом температуры, то всегда потепление климата будет вызывать увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, а похолодание — ее снижение. Интересно отметить, что задержка изменений концентрации углекислого газа в атмосфере по сравнению с изменениями температуры (см. рис. 2) приблизительно соответствует времени полного перемешивания вод Мирового океана (порядка нескольких тысяч лет).

То же относится и к “теплому” меловому периоду. Так, например, 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. Однако 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 располагалось только в низких и умеренных широтах, а теплые океанические течения проникали глубоко 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^оС выше современной, а климат — более равномерным, без ледяных шапок на полюсах.

Фантазии на тему озоновых «дыр»

Хотелось бы попутно отметить и близкую по ситуации проблему происхождения 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 защитным щитом от губительного для всего живого солнечного ультрафиолета. Разрушение этого слоя, естественно, представляет собой большую опасность для жизни на Земле. Отсюда понятно большое внимание, уделяемое учеными изучению озонового слоя 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 солнечное облучение, а в полярных широтах оно и вовсе пропадает, над антициклоническими областями происходят 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” возникла, когда в конце 1950-х годов научились и стали количественно 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, т. е. в Южном полушарии, тогда как максимум антропогенных выбросов фреонов происходит в Северном полушарии. Непонятно также, чем виноваты промышленные фреоны, когда в несоизмеримо бoльших 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 и в энергетическом, и в количественном отношениях совершенно ничтожно по сравнению с ролью природных генераций метана, водорода и природных же фреонов вулканического происхождения. Действительно, в настоящее время техногенный выброс фреонов не превышает 30 тыс. тонн, тогда как только за счет “дыхания” океанов в атмосферу поступает метана и водорода порядка нескольких миллионов тонн. По некоторым оценкам, выделение из океанов метана СН₄ достигает 16 млн. тонн в год. К этому следовало бы добавить миллионы тонн “болотного” газа (того же метана), выделяемого болотами северных регионов Канады и Евразии, а также почвами умеренных широт. Всего же масса этих ежегодно поступающих в атмосферу природных газов достигает многих десятков миллионов тонн. Соединения этих газов с озоном протекают по многоступенчатым реакциям, конечные формы которых можно записать в виде:

СН₄ + 4О₃ —> СО₂ + 2Н₂О + 4О₂

Н₂ + О₃  —> О₂ + Н₂О.

   При этом по первой реакции на каждый грамм метана выделяется 20,5 килокалорий тепла, а по второй реакции – 46,2 ккал на грамм водорода. При взаимодействии же фреонов с озоном выделяется значительно меньше тепла.

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”, ничтожно мала – на много порядков ниже влияния природных факторов. Поэтому 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", 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. долларов в год, а разовый убыток от уничтожения и замены оборудования, использующего фреоны, составляет еще около 10 -15 млрд. долларов!

                                                           ***
В заключение хотелось бы отметить, что уже 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 лучшее применение. Надо понять, что увеличение концентрации углекислого газа в земной атмосфере не может привести ни к каким вредным последствиям для экологии и климата Земли, тогда как польза от этого может оказаться большой. Как 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, и все живое на Земле уже давно к нему приспособилось.