«Энергия» 2002, N 1 С. 17-24.

С глубокой древности люди внимательно следят за состоянием погоды и пытаются различными способами осуществить прогноз хотя бы на ближайшее будущее, а лучше на сезон вперед. Иногда эти попытки бывают удачными, особенно когда это касается краткосрочных прогнозов, но долгосрочные прогнозы чаще не подтверждаются.

Значительно сложнее, чем с погодными, обстоит дело с климатическими прогнозами. Чтобы предсказать климат на Земле в целом или на какой-то ее территории на ближайшие годы или десятилетия, необходимо не только знать так называемые климатообразующие факторы, которые характеризуются определенными метеорологическими элементами, но и рассматривать климат как результат взаимодействия различных факторов. Для правильного прогноза будущего климата надо знать, каким он был в прошлом — как несколько столетий или тысячелетий назад, так и в давние геологические эпохи. при создании климатических сценариев будущего для оценки состояния природной среды можно использовать уже некогда существовавшие природные ландшафты и сравнивать их с современным, а не создавать заново умозрительные модели.

Климаты прошлого

Информация о климатах прошлого надежно сохранена в геологических документах — в земных слоях в форме минералов и горных пород, и в заключенных в них ископаемых организмах в виде окаменевших скелетов и раковин. В настоящее время, основываясь на многократно проверенных объективных геологических и геохимических данных и используя физико-химические методы исследований, удается охарактеризовать древние климаты примерно на таком же уровне, как это делается для климата современной эпохи. Начиная с далекого архейского зона, значит отрезка времени, отстоящего от современного на 2.5-3 млрд. лет, по мере приближения к современной эпохе характеристики климатов расшифровываются со все возрастающей полнотой и достоверностью. на данный момент удается не только дать их характеристики на качественном уровне, но и получить абсолютные значения температур, влажности и количества атмосферных осадков, начиная с 2-2.5 млрд. лет.

За время существования нашей планеты на Земле было по крайней мере шесть глобальных оледенений. Они произошли в самом начале протерозойского зона, значит около 2.5 млрд. лет назад, в рифейское время (850 и 650 млн. лет назад), в конце ордовика (450 млн. лет назад), и конце каменноугольного периода (280 млн. лет назад) и в четвертичном периоде. Четвертичное оледенение началось в самом конце палеогеновой и завершилось в начале голоценовой эпохи, около 15 тыс. лет назад. С тех пор климат менялся в сторону то потепления, то некоторого похолодания, но существенных изменений в ту или иную сторону за прошедшие тысячелетия не наблюдалось.

В ледниковые эпохи средние глобальные температуры на Земле опускались до +8-~+10°С (современная средняя глобальная температура составляет примерно +14°С). Во время оледенений ледники находились не только в полярных и приполярных районах, но и спускались до широты 40-45°. Тропический и субтропический климаты в это время были характерны только для весьма узкой полосы, охватывающей приэкваториальные широты.

Однако более длительное время, чем оледенения, на Земле господствовали весьма теплые климаты. Средние температуры в это время превышали +20- +22°С. На полюсах не только отсутствовали ледяные шапки, но и была растительность, иногда вечнозеленая. В приполярных морях жили теплолюбивые организмы, а на суше далеко за Полярным кругом располагались лесные массивы. В эоценовую эпоху (50-55 млн. лет назад) на месте Северного Ледовитого океана располагалось такое же теплое море, как и современное Черное. На Шпицбергене, островах Канадского Арктического архипелага, Новой Земле росли хвойно-широколиственные леса с примесью вечнозеленых форм. В геологических слоях, возникших в это время, обнаружены отпечатки теплолюбивых растений, найдено множество окаменевших плодов и листьев широколиственных деревьев, скелеты крокодилов и змей. Все это свидетельствует о том, что далеко за Полярным кругом 50-55 млн. лет назад было так же тепло, как и в областях современного субтропического или ослабленного тропического климата, которые в настоящее время располагаются в северном полушарии южнее 40° с.ш.

Как известно, в четвертичном периоде эпохи, когда мощные ледники покрывали значительные территории Западной и Восточной Европы и Северной Америки, периодически сменялись межледниковьями. В одно из них, в микулинское межледниковье, около 125 тыс. лет назад, Северный Ледовитый океан покрывался льдом только в зимнее время. На территории Европейской России было намного теплее, чем сейчас, а тундровых и лесотундровых ландшафтов вообще не существовало. Они возникали и расширялись далеко на юг только во время наступления четвертичных ледниковых эпох. Место смешанных лесов занимали дубово-грабовые и дубово-липовые леса. Границы лесостепей находились значительно севернее современных, а на юге европейской части России располагались степи и полупустыни.

Изменение средних температур в умеренных широтах северного полушария на протяжении четвертичного периода
(14°С — средние глобальные температуры, 4°С — средние температуры в умеренных широтах.
Межледниковые эпохи — Сандомирская, Лихвинская, Микулинская.
Оледенения: Дунайское, Окское, Днепровско-Московское и Валдайское).

на данный момент геологи обладают достоверными и достаточно полными сведениями о климатах четвертичного периода, который в целом считается холодным. Всего за 1.5 млн. лет ледниковые эпохи по крайней мере четырежды сменялись межледниковьями ( .

первопричины климатических изменений

Что же послужило причиной таких кардинальных смен природных условий? Если точно установить ее, станет легче не только понять, почему меняются климаты в современную эпоху, но и дать более или менее достоверный прогноз на ближайшее и отдаленное будущее. Первое, что напрашивается в качестве одной из причин климатических колебаний, — периодическое изменение положения Земли в космическом пространстве и в связи с этим неравномерное поступление солнечной энергии. Установил это югославский ученый Е.Миланкович, и его расчеты впоследствии были подтверждены многими аналитическими и модельными работами. Это лишь одна из причин, и она оказывает влияние только на сравнительно долгосрочные климатические изменения в течение десятков тысяч лет.

Второй немаловажной причиной климатических изменений является сама атмосфера, ее прозрачность и концентрация в ней парниковых газов. все - таки она пропускает не всю солнечную радиацию. Часть ее рассеивается, часть отражается обратно в космическое пространство, и лишь около 44% солнечных лучей коротковолновой части спектра достигает земной поверхности. Благодаря наличию озона атмосфера задерживает ультрафиолетовую радиацию.

На ранних этапах развития Земли в атмосфере полностью отсутствовали кислород и азот. Она была представлена углекислым газом, парами воды, метаном, аммиаком, водородом и парами кислот. По прошествии первого миллиарда лет с рождения Земли в атмосфере главенствующее положение так же занимал углекислый газ, но все возрастающую роль стали играть свободный азот и кислород. Около 650-570 млн. лет тому назад кислорода приблизилось к современным значениям. В это же время возник озоновый экран. Благодаря ему стала возможной жизнь на суше, так как этот экран с течением времени все надежнее защищал живые существа от ультрафиолетового излучения. Заселение суши началось около 450-500 млн. лет назад.

Парниковый эффект

В 1894 г. французский физик Ферье ввел в научную литературу термин «парниковый эффект атмосферы». На рубеже XIX и XX столетий шведский ученый Сванте Аррениус (в 20-е гг. XX столетия он был избран. иностранным почетным членом Академии наук СССР) показал важнейшую роль углекислого газа и паров воды в тепловом режиме атмосферы. Проведенные впоследствии расчеты показали, что увеличение количества углекислого газа в атмосфере в 2-3 раза способно повысить температуру приземных слоев воздуха на 8-9°С, а его уменьшение на 40% снижает среднюю глобальную температуру на 4-5°С.

После того, как академик Александр Борисович Ронов количественно определил концентрацию углекислоты в составе атмосферы в различные эпохи геологического прошлого, а автором настоящей статьи была установлена средняя глобальная температура земной поверхности, показано ее изменение в течение последних 600 млн. лет, и дана их сравнительная характеристика (эти работы были проведены в 80-90-е гг. XX столетия), удалось доказать полное соответствие изменения концентрации СO2 в течение определенного времени и средних глобальных температур. Это свидетельствовало о том, что рост температур в определенной мере определялся м в атмосфере углекислоты. В те эпохи, когда на Земле снижались температуры и вследствие этого на полюсах возникали ледниковые шапки, концентрация углекислого газа в атмосфере уменьшалась примерно до той же величины, что и в современную эпоху.

проведенные на геологическом материале исследования показали, что парниковый эффект, связанный с колебаниями концентрации атмосферной углекислоты, действовал и в геологическом прошлом. Однако, несмотря на такие совпадения, оставались и определенные сомнения в однозначности вывода. Уж весьма стремительно и масштабно менялись температуры на земной поверхности. В связи с этим возникло и сомнение в единоличной роли углекислого газа в парниковом эффекте.

на данный момент можно сказать, что взаимоотношения м. м атмосферной углекислоты и приземными температурами носят значительно более сложный характер. Определенным буфером в этом выступает Мировой океан. Чем выше температуры и чем больше углекислоты в атмосфере, тем больше ее растворяется в водах Мирового океана. Там растворено около 140 трлн. т CO В водах морей и океанов его примерно в 60 раз больше, чем в атмосфере. При этом соблюдается определенное равновесие м. м CO2 в Мировом океане и в атмосфере. При повышении температуры морской воды растворимость СО2 возрастает, и часть его переходит в воды Мирового океана. Можно сказать, что в определенной мере Мировой океан служит регулятором приземных температур.

Прогноз глобального потепления

В середине 60-х гг. XX столетия стали появляться сведения о будущем глобальном потеплении. Сразу же развернулись ожесточенные дискуссии противников и сторонников такого прогноза. Весьма глубоко и всесторонне разработал эту проблему академик Михаил Иванович Будыко. Он первым обратил внимание на антропогенные первопричины изменения климата, указал на связь антропогенных выбросов углекислоты в атмосферу и на основании расчетов теплового баланса предсказал глобальное потепление. Основываясь на данных о скоростях проникновения в атмосферу углекислого газа и всесторонне выяснив роль антропогенеза в возникновении углекислого газа, М.И.Будыко дал обоснованные прогнозы изменения приземных температур на ближайшие десятилетия XXI века. По его мнению, главной причиной увеличения концентрации углекислоты в атмосфере стал рост масштаба сжигания ископаемого топлива, особенно в последние десятилетия.

Согласно прогнозу М.И.Будыко, сделанному в начале 70-х гг. XX века, считается, что за 120 лет температура воздуха должна повыситься фактически на 2.5°С. При этом концентрация углекислого газа увеличится примерно в два раза. В этом же прогнозе был сделан вывод, что предстоящее потепление приведет к уменьшению количества атмосферных осадков, выпадающих в ряде областей средних широт, и что повышение температур обусловит сокращение площади морских полярных льдов, а значит, повлечет катастрофический подъем уровня Мирового океана. далее как отдельными исследователями, так и крупными научными коллективами было сделано довольно много расчетов ожидаемых изменений климата. Результаты большинства их в той или иной мере совпадали с расчетными данными М.И.Будыко.

В связи с опасениями изменения природной среды, повышения уровня Мирового океана из-за продолжающегося глобального потепления, международное сообщество, особенно после состоявшейся в 1997 г. конференции в Киото, начало интенсивный поиск мер, стимулирующих сокращение потребления минерального топлива. Однако, несмотря на реально подтверждаемые прогнозы температурных изменений, все чаще стали появляться работы, где не только опровергаются прогнозные цифры, но и считается неправильной и даже вредной сама идея глобального потепления. Некоторые из них носят явно заказной характер, хотя на первый взгляд как будто основываются на всесторонней разработке теории парникового эффекта.

Сомнения эти связаны с тем обстоятельством, что не только углекислый газ участвует в создании парникового эффекта. По мнению этих авторов, парниковая роль СО2 не так уж велика. В действительности, кроме атмосферной углекислоты, в создании парникового эффекта принимают участие пары воды и метан. но до сих однозначно не определено, какое воздействие оказывают они совместно на парниковый эффект.

Только ли углекислый газ?

При рассмотрении проблемы потепления и парникового эффекта за пределами внимания исследователей долгое время оставалась роль других парниковых газов. Это было связано с трудностью расчетов и реального их выявления в атмосфере. Согласно существующим представлениям, роль каждого из них неоднозначна. Как показывают расчеты, пары воды увеличивают температуру на 20.6 К, СО2 — на 7.2 К, СН4 — на 4-6 К, а фреоны — всего на 0.8 К. величина парникового эффекта газообразных примесей атмосферы составляет от 33 до 34.6 К. Если бы в атмосфере не присутствовали парниковые газы, средняя глобальная температура земной поверхности составляла бы минус 18-20°С.

Обращает на себя внимание высокая степень парниковой эфф. метана. И это при том, что его в современной атмосфере на два порядка меньше, чем остальных газов.

Присутствие в атмосфере такого мощного парникового газа, как водяной пар регламентируется средними температурами, устанавливаемыми солнечной радиацией. Чем выше температура, тем больше в атмосфере содержится паров воды. есть и определенный баланс концентрации углекислоты в атмосфере и гидросфере. Избыток атмосферной углекислоты растворяется в Мировом океане. Она участвует в биогеохимическом цикле, усваивается организмами, а в конце концов откладывается в донных осадках. На суше избыток углекислоты также откладывается при образовании лессов в соответствующих континентальных ландшафтах. Недостаточно понятно распределение в атмосфере природного, возникающего при вулканических извержениях и циклах выветривания, и антропогенного СОг. все - таки углекислый газ существенно тяжелее воздуха, и он не способен достаточно быстро даже с восходящими теплыми потоками воздуха подняться на высоту 10-15 км. И только метан, попадая в атмосферу в приземных условиях, не преобразуется, не усваивается организмами, не переходит в осадок и не уходит обратно в недра Земли, а благодаря своей легкости и подвижности быстро поднимается в стратосферу. Под действием солнечной радиации он разлагается и преобразуется в водород, участвует в образовании паров воды и углекислоты. Водород удаляется в стратосферу, по пути разлагая озон, а пары воды и метана на границе тропосферы и стратосферы образуют так называемые серебристые облака.

Каким образом, откуда и в каких количествах в атмосферу поступает метан? Во-первых, при вулканических извержениях. Общая интенсивность наземных извержений ежегодно составляет (3- •1015-3•1017 г. Подводные вулканы, особенно там, где происходит растяжение земной коры, а именно вдоль рифтовых областей срединно-океанских хребтов, выбрасывают около 5•1013 г СН Определенная, правда, небольшая, часть СН4 выбрасывается в атмосферу из континентальных рифтов Восточной Африки и Байкала. Это означает, что ежегодно при наземных и подземных извержениях в атмосферу выбрасывается около (5- •1015 г СН Следовательно, чем интенсивнее вулканическая активность, тем больше метана поступает в атмосферу. Косвенно подтверждают такой вывод геологические данные. Эпохи интенсивного вулканизма, особенно подводного, океанского и континентального рифтообразования совпадают с весьма теплыми эпохами в истории Земли. Наземный вулканизм, в отличие от подводного, вносит определенные коррективы в тепловой баланс атмосферы. Во время подводных извержений в атмосферу поступают только СН4 и СО2, в то время как при наземных извержениях в атмосферу выбрасываются так же и пары воды, и мельчайшие частицы силикатной пыли — пепел. Последние оказывают противоположное влияние на распределение солнечной радиации, увеличивая отражательную способность (альбедо) атмосферы и тем самым как бы уравновешивая действие парниковых газов. При подводных извержениях до атмосферы доходят не все газовые составляющие. Парадокс заключается в том, что практически весь углекислый газ, выделяющийся при подводных вулканических извержениях, растворяется в водах Мирового океана. Он крайне необходим для жизнедеятельности организмов, пары воды конденсируются, а весь твердый пепловый материал оседает на морском дне. И только метан удаляется в атмосферу.

Метан выделяется не только при подводных извержениях, но и при субдукции, значит в областях столкновения литосферных плит, когда происходит затягивание океанских осадков вместе с литосферной плитой под более жесткие и тяжелые литосферные плиты. Вместе с рыхлыми осадками в земные недра затягивается много органического вещества, преобразование которого протекает под действием высоких давлений и температур на глубинах в десятки и сотни километров под дном океана. Этот цикл, протекающий в восстановительных условиях при отсутствии кислорода, приводит к возникновению метана. Согласно расчетным данным, из океанов в атмосферу поступает от 1•1014 до 1•1015 г метана в год, а во время сильных подводных извержений его количество так же более увеличивается. Необходимо отметить и такие источники метана, как подводные и наземные грязевые вулканы.

Важный ист. поступления метана в атмосферу — озерно-болотные системы, занимающие огромную территорию (общая площадь болот составляет 2 млн. км и тундровые ландшафты. Свою долю в поставке метана в атмосферу вносят мангровые заросли и леса, которые являются своеобразными болотами на побережьях тропических морей. Из озерно-болотных систем ежегодно в атмосферу поступают от 5•1013 до 7•1014 г метана, из тундровых ландшафтов — около 4•1013 г метана. В данных расчетах не учтена доля летучих углеводородов, образующихся при эвтрофикации озер и водохранилищ, хотя количество метана такого происхождения весьма значительно. Приблизительные подсчеты показывают, что в цикле гниения в восстановительных условиях доля выделившегося метана после эвтрофикации водоемов может достигать порядка 1013 г.

Свою долю в образование углеводородов вносят и некоторые другие экосистемы. Анаэробные микроорганизмы в кишечнике жвачных животных, способствующие перевариванию пищи, вырабатывают метан. В результате этого цикла, получившего название кишечной ферментации, в атмосферу ежегодно попадает от 2•1013 до 2•1014 г метана. Особенно много метана выделяют в атмосферу растительноядные животные — около 8•1013 г.

Метан имеется в криолитозоне, или в области развития многолетнемерзлых грунтов. В слое мерзлого грунта имеется избыток замороженного органического вещества, способного разлагаться. Особенно энергично этот цикл происходит в летние месяцы. Ниже слоя многолетнемерзлых грунтов, на глубинах от 2-5 до сотен метров (в зависимости от толщины мерзлого грунта и пород) и в далеких от берегов зонах Арктики находятся твердые вещества, представляющие собой соединение кристаллов воды и поглощенного под давлением газообразного метана. Запас метана в гидроксидах огромен. Из перечисленных природных источников ежегодно в атмосферу поступает около (2- •1015 г метана.

Кроме того, метан медленно фильтруется в районах близкого расположения к земной поверхности нефтегазовых месторождений. Общее количество такого метана подсчитать в настоящее время не представляется возможным, но вклад этого природного источника метана значителен.

Вместе с тем большое количество метана выделяется в атмосферу в цикле добычи, транспортировки и переработки минерального топлива: нефти, газа, угля, и при складировании пустой породы вблизи шахт в виде терриконов, а у открытых разрезов и карьеров — в виде отвалов. Этот довольно крупный ист. СН4 не учитывался.

Немаловажная роль в постепенном увеличении доли легких углеводородов в атмосфере принадлежит хозяйственной деятельности человека. Метан и другие углеводороды выделяются при неполном сгорании моторного топлива и при сжигании мазута на тепловых электростанциях. На земную поверхность метан просачивается из глубоких недр при угледобыче. Известно, что во всех подземных взрывах во время добычи угля повинен метан. Взрыв в шахте происходит, когда концентрация метана в подземных галереях достигает критического уровня. Чтобы этого не допустить, в шахтах работают вентиляционные установки, которые выносят на земную поверхность метан, выделяющийся из угольных пластов.

В огромных объемах метан и другие легкие углеводороды выделяются в цикле добычи нефти и особенно газов. Лишь небольшая доля попутного газа сжигается при разведочном и поисковом бурении на нефть и газ. К этому надо добавить и медленное просачивание горючих газов не только в районах месторождений, но и во время транспортировки (газопроводы, цистерны, танкеры). Особенно много метана и других углеводородов может улетать в воздушное пространство во время переработки нефти на нефтехимических предприятиях. Примерный подсчет демонстрирует, что только при нефте- и газодобыче, транспортировке и переработке жидких и газообразных горючих полезных ископаемых в атмосферу выбрасывается не менее (2- •1014 г метана, что сопоставимо с природными выбросами этого газа.

К этому надо добавить, что при утилизации отходов продуктов человеческой жизнедеятельности и промышленного производства из промышленных и бытовых свалок в атмосферу мигрирует (7- •1013 г CH4».

Особенно много CH4 выделяется в результате сельскохозяйственной деятельности человека. Большое количество метана образуется при разложении навоза. А рисовые поля фактически являются болотами искусственного происхождения. Только они ежегодно дают до 5•1015 r CH4.

в результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу Земли ежегодно поступает (1- •1015 г СН При этом уровень антропогенного добавления в атмосферу метана не только сопоставим с природным, но и в ряде случаев оказывается даже выше.

Рост содержания в атмосфере метана
природного и антропогенного происхождения.

Если обратиться к прошлым геологическим периодам, когда при отсутствии человека поступление метана в атмосферу регулировалось исключительно природными факторами, то происходившие изменения климата вполне реально объяснить разной скоростью обогащения атмосферы метаном. но надо учитывать, что в глобальных климатических изменениях парниковый эффект, независимо от того, какими бы газами он ни был вызван и с какой бы скоростью ни протекал, действовал совместно с климатробразующими факторами. В этом случае воздействие парникового эффекта на температуру Земли оказывалось меньшим, чем влияние других природных причин. Вместе с тем, эпохи обильного накопления углеродистого вещества в земных недрах являются самыми теплыми в истории Земли. Это ранне- и среднекаменноугольное время, юрский и меловой периоды, эоценовая эпоха и т.д. Эти же эпохи относятся ко времени необычайно широкого развития органического мира. А значит, в эти эпохи в атмосферу выделялось значительное количество метана. Но если рассматривать роль парниковых газов, и метана в том числе, при стабильно существующих других глобальных климатообразующих факторах: неизменных объемах Мирового океана, постоянном притоке солнечной энергии, одинаковой прозрачности атмосферы, неизменности альбедо атмосферы и земной поверхности и т.д., и к тому же за сравнительно короткий отрезок времени, то оказывается, что значительное поступление метана в атмосферу, какими бы причинами оно ни было вызвано, способно привести к существенному повышению средней глобальной температуры воздуха. А тем более, если количество этого парникового газа увеличивается в ходе хозяйственной деятельности вместе с антропогенной углекислотой.

Сказанное означает, что в результате хозяйственной деятельности при продолжающемся возрастании в атмосфере антропогенной углекислоты, как это предсказано нашими учеными и в действительности наблюдается в течение последних 25-30 лет, надо учитывать и поступление антропогенного метана, которое постоянно растет ( . Совместное присутствие углекислого газа и метана в атмосфере приводит к повышению средней глобальной температуры. Поэтому можно утверждать, что в ближайшие годы потепление не замедлится, а, наоборот, будет нарастать.