Чтение онлайн

Решение 38: Тепловая волна

Если не можешь выдержать жару, уходи с кухни. Гарри С. Трумэн

Необходимым ингредиентом для возникновения технологической цивилизации является — предположительно — планета, обладающая умеренным климатом в течение длительных периодов. Одноклеточные организмы устойчивы, но трудно представить, как сложная многоклеточная жизнь могла бы процветать на ледяной планете, где вода заперта в твердой форме. С другой стороны, сложная жизнь была бы обожжена на горячей планете, где вода находится в газообразной форме; действительно, температурам не нужно достигать даже точки кипения, чтобы сложная жизнь пострадала. Требуется тот самый объект «Златовласки» — «в самый раз», планета, на которой вода может свободно течь и творить свое волшебство. Земля явно является планетой Златовласки в этом отношении, но не сразу очевидно, почему Земля обладает такой поверхностной температурой. Очевидно, Земля получает энергию от Солнца, и это согревает нашу планету — но тогда почему Луна не имеет такой же температуры, как Земля? В конце концов, и Земля, и Луна находятся на одинаковом расстоянии от Солнца. (Температура на поверхности Луны значительно варьируется в зависимости от того, ночь сейчас или день. Когда Солнце находится над головой, температура поверхности Луны может превышать 100°C; однако, как только Солнце садится, температура может упасть ниже –150°C. Это лишь подчеркивает разницу между Землей и ее спутником.)

Мы должны благодарить атмосферу за умеренный характер Земли. Земля получает энергию от Солнца в различных диапазонах электромагнитных волн — ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном. Почти вся эта энергия проходит прямо через атмосферу, и около половины ее поглощается поверхностью Земли, которая впоследствии нагревается. Любая теплая поверхность будет излучать просто потому, что она теплая, и пиковая длина волны излучения зависит от температуры поверхности. В случае Земли большая часть теплового излучения, которое она испускает, находится в дальнем инфракрасном диапазоне. Вот что замечательно: химический состав атмосферы Земли таков, что она почти прозрачна для входящего коротковолнового ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного излучения, но почти непрозрачна для исходящего длинноволнового дальнего инфракрасного излучения. Излучение, испускаемое поверхностью Земли, поглощается атмосферой, которая затем переизлучает его, а излучение, испускаемое вниз, поглощается поверхностью Земли. Таким образом, наша атмосфера согревает нас. Мало того, атмосфера оказывает смягчающее воздействие; ветры переносят тепло от экватора к полюсам и с дневной стороны планеты на ночную. Без атмосферы на Земле наверняка не было бы жизни.

Это атмосферное улавливание солнечного излучения известно как парниковый эффект, и впервые его количественно оценил Сванте Аррениус (тот самый, известный по панспермии) еще в 1896 году. Основная идея восходит к семидесяти годам ранее. Так что это не новое предположение, что так называемые атмосферные парниковые газы — в первую очередь водяной пар, углекислый газ, метан и озон — играют решающую роль в определении климата Земли. И учитывая фундаментальную важность климата для жизни, можно подумать, что было бы крайне неразумно для цивилизации вмешиваться в атмосферные парниковые газы. Но именно это и делает человечество.

Примерно с 1850 года мировое потребление энергии резко возросло. Те из нас, кто живет в развитых странах, имеют доступ к множеству технологий, которые делают нашу жизнь более комфортной, чем жизнь наших викторианских предков: у нас есть доступ к автомобилям, авиаперелетам, Интернету, мощному освещению, центральному отоплению, мобильным телефонам, экзотическим продуктам питания, чистой воде из-под крана… но все эти само собой разумеющиеся удобства современной жизни требуют энергии. Очень, очень много энергии. Со времен промышленной революции ненасытная потребность человечества в энергии удовлетворялась в основном за счет добычи ископаемого топлива — угля, нефти, природного газа — и его сжигания. Если бы человечество не открыло огромные запасы этих энергоемких материалов, наша нынешняя цивилизация, вероятно, была бы совершенно иной: научные и технологические инновации, несомненно, продолжались бы, но прогресс, безусловно, был бы гораздо медленнее, и наш выбор был бы ограничен. Наш нынешний уровень цивилизации, позволяющий нам хотя бы размышлять об исследовании космоса, требует много дешевой энергии — и в течение десятилетий, вероятно, дешевая энергия будет обеспечиваться за счет сжигания ископаемого топлива.

В этой ситуации есть по крайней мере два аспекта, имеющих отношение к парадоксу Ферми (если мы сделаем неизбежное антропоцентрическое предположение, что всем внеземным цивилизациям придется пройти через фазу удовлетворения энергетических потребностей путем сжигания ископаемого топлива). Во-первых, ископаемое топливо представляет собой конечный ресурс. Неумолимый рост спроса на энергию в конечном итоге исчерпает запасы топлива. Если бы наш доступ к ископаемому топливу прекратился внезапно, прямо сейчас, последствия были бы немыслимы. Наша цивилизация рухнула бы. Одно из предложенных разрешений парадокса Ферми, таким образом, заключается в том, что неизбежное истощение ископаемого топлива означает, что цивилизации никогда не выходят в глубокий космос. Они коллапсируют, прежде чем смогут колонизировать мир, содержащий больше энергоресурсов. Лично я в этом случае оптимист. У нас есть еще несколько десятилетий до наступления кризиса, и я уверен, что до этого политики осознают опасность: они направят ресурсы на решение проблем производства энергии, и какое-то другое топливо позволит нам поддерживать наш роскошный уровень жизни.

Во-вторых, и что более коварно, когда мы сжигаем ископаемое топливо, мы выделяем парниковые газы. Крупномасштабное сжигание ископаемого топлива может изменить количество парниковых газов в атмосфере, а это, в свою очередь, может изменить климат.

Ископаемое топливо образовалось в результате разложения погребенных мертвых организмов. Нефть и природный газ происходят от организмов, живших в реках или океанах и погребенных под слоями ила; за миллионы лет этот органический материал «готовился» под давлением, создавая месторождения, которые мы разрабатываем сегодня. Уголь образовался аналогичным образом, за исключением того, что исходным материалом были деревья, папоротники и растения. Поскольку ископаемое топливо происходит из органического материала, оно содержит углерод — антрацитовый уголь, например, почти чистый углерод — и поэтому при сжигании этого топлива выделяется этот элемент. Выделяющийся углерод легко соединяется с кислородом, образуя парниковый газ углекислый газ. С начала промышленной революции, полтора века назад, человечество выбрасывает углерод, на накопление которого ушли десятки миллионов лет. Неудивительно, что уровни атмосферного углекислого газа неуклонно растут.

Рис. 4.22 Среднемесячная концентрация углекислого газа, измеренная в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях. Данные получены в рамках долгосрочной программы Института океанографии Скриппса. 9 мая 2013 года концентрация достигла 400 частей на миллион; сравнение углекислого газа, захваченного в пузырьках воздуха, взятых из антарктических ледяных кернов, показывает, что атмосферный углекислый газ сейчас находится на самом высоком уровне за последние 800 000 лет. (Источник: NOAA)

Лучшие данные об уровнях атмосферного углекислого газа получены из измерений, проведенных на высоте двух миль над уровнем моря в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях. Чарльз Килинг начал измерять[250] уровни углекислого газа там в 1958 году, и наблюдения продолжаются. Наблюдения Килинга были очень тонкими: кривая Килинга, показанная на Рисунке 4.22, является одной из самых красивых во всей науке. По крайней мере, она была бы красивой, если бы не была такой пугающей. Кривая Килинга показывает, как Земля «дышит»: начиная с весны, рост растений и деревьев на больших массивах суши северного полушария приводит к падению уровня углекислого газа; по мере прекращения роста растений в конце года уровень углекислого газа увеличивается. Однако поверх этого сезонного колебания мы видим ежегодное увеличение общего количества углекислого газа в атмосфере. Различные доказательства демонстрируют, что это увеличение происходит от сжигания ископаемого топлива: наша потребность в дешевой энергии означает, что мы добавляем около 11 миллиардов тонн углекислого газа в атмосферу каждый год.

Можно было бы разумно ожидать, что закачка миллиардов тонн парникового газа в атмосферу вызовет потепление Земли. И действительно, существуют явные свидетельства глобального потепления: средняя температура[251] поверхности увеличилась примерно на 0,85°C с 1880 года. Глобальное потепление, в свою очередь, может привести к изменению климатических моделей. (Тщательное обсуждение изменения климата включало бы больше факторов, чем просто среднюю температуру, но в данном контексте уместно сосредоточиться на глобальном потеплении.) Хотя громкое меньшинство комментаторов отрицает существование какой-либо связи между деятельностью человека и глобальным потеплением, научное сообщество говорит с убедительной ясностью: деятельность человека за последние сто-двести лет привела к выбросу большого количества парниковых газов в атмосферу, и это вызвало потепление Земли. Остаются два нерешенных вопроса. Насколько повысятся температуры в ближайшие десятилетия? И как повышение глобальных температур повлияет на человечество?

Наихудший сценарий глобального потепления — это безудержный парниковый эффект. Безудержный эффект может возникнуть при наличии положительной обратной связи в системе. В данном случае опасение заключается в том, что повышение температуры приводит к выбросу большего количества водяного пара в атмосферу, что, поскольку водяной пар является парниковым газом, вызывает повышение глобальной температуры, что, в свою очередь, приводит к выбросу еще большего количества водяного пара, что… конечным результатом является выкипание океанов. Температура стабилизируется только тогда, когда температура поверхности достигает около 1400 К, и Земля начинает излучать в ближнем инфракрасном диапазоне, на длинах волн, для которых водяной пар не является парниковым газом. Безудержный парниковый эффект, конечно же, означал бы конец сложной жизни на Земле. К счастью, последние исследования показывают,[252] что сжигание ископаемого топлива почти наверняка не вызовет безудержного эффекта. Одной пули избежали. (Безудержный парниковый эффект — это вероятная долгосрочная судьба Земли — Солнце становится горячее по мере старения, и в конечном итоге оно вызовет какой-то безудержный процесс — но у нас есть около миллиарда лет, прежде чем нам нужно будет беспокоиться.)

Хотя антропогенный безудержный парниковый эффект маловероятен, кажется неизбежным, что в течение следующего столетия мы столкнемся с вызванным человеком повышением средней глобальной температуры. Будет ли это так уж плохо? В конце концов, можно утверждать, что цивилизация не возникла бы, если бы последний ледниковый период продолжался. Если вам нужно накормить миллиарды ртов, тепло — это, безусловно, хорошо; возможно, теплее — лучше? Ну, если повышение температуры окажется в нижней части прогнозов, это может быть не так уж плохо. Вероятно, будут победители и проигравшие. Некоторые низменные страны исчезнут, и оказывается, что самые бедные страны — те, которым больше всего не хватает ресурсов для борьбы с последствиями изменения климата, — скорее всего, пострадают сильнее всего. В целом, однако, если повышение температуры будет ограниченным и будет происходить постепенно, люди справятся. Если же повышение температуры окажется в верхней части прогнозов, то могут быть только проигравшие. Трудно представить себе продолжение нашей цивилизации в мире на шесть градусов теплее, чем сейчас.