Остановить нельзя изменить: как связаны климат и человек

Фестиваль РГО — это, помимо прочего, возможность узнать мнение ведущих учёных по самым злободневным вопросам современности. Одним из таковых является изменение климата на нашей планете. Существует много теорий, почему и как происходит глобальное потепление, виноват ли в этом человек и что мы можем сделать, чтобы не допустить непоправимое. Об этом рассказал в своей лекции кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории масс-спектрометрии Сколковского института науки и технологий (Сколтех) Александр ЖЕРЕБКЕР. Предлагаем нашим читателям краткое изложение его выступления.

Глобальное потепление можно отследить. Например, на Аляске есть бухточка, которая ещё в 1941 году бухтой не являлась. Она была заполнена ледником, который каждый год постепенно уходил. На сегодня он ушёл на 20 км, и теперь там замечательный курорт, куда приезжают покататься на байдарках и каяках. С другой стороны, в Москве прошедший май был одним из самых холодных за весь период наблюдения, а 9 мая вообще выпал снег. Что же получается, никакого глобального потепления вроде как и нет?

Дело в том, что при обсуждении климата мы путаем термины. Когда мы говорим, что сегодня тепло, дождливо, облачно, много осадков, то речь идёт о погоде.

А если говорить о климате, то здесь всё то же самое, но за определённый исторический промежуток. И говорим мы уже о средних показателях (температуры, влажности и т.д.). Именно так находят различные закономерности. Действительно, сегодня лето теплее, чем в прошлом году. Возможно, сейчас теплее, чем 10 лет назад, но 100 лет назад было ещё теплее.

Надо понять, достаточен ли для научно обоснованных выводов период, который мы рассматриваем, когда говорим об изменении климата.

Итак, глобальное потепление — долгосрочное повышение средней температуры климатической системы Земли. Изменение климата — долгосрочное изменение глобальных погодных условий.

Один из ярких примеров последствий климатических изменений — Великое переселение народов. Начиная с III века н.э. температура на Земле начала резко понижаться. За 200 лет на востоке Европы она упала на 7 градусов, и кочевые племена переместились в более тёплые районы — к Средиземному морю, разрушая всё на своём пути. Для них Римская цивилизация была пустым звуком, они хотели выжить.

В 536 году произошла серия извержения разных вулканов. В результате аэрозоль поднялся в небо, распределился по Земле и отражал солнечный свет. Наступила вулканическая зима. Одновременно с этим начались эпидемии, началось разрушение городов варварами. По словам Майкла Маккормика из Гарвардского университета, это было начало одного из худших периодов для жизни, если не худший год в истории.

И сегодня многие люди теряют доступ к пресней воде или вынуждены покидать свои дома из-за ураганов.

Очевидно, что климат влиял на человеческую жизнь раньше, влияет и сегодня. Следующий вопрос — о влиянии человека на климат. Каково оно?

Упоминания о том, что человек может-таки влиять, появились ещё в древности. Отец ботаники Теофраст, ученик Аристотеля, первым начал собирать данные о растениях, о сельском хозяйстве. Анализируя письменные и устные источники критян, он предположил значительные изменения в климате. И обнаружил прямое влияние деятельности человека на климат. Вырубка лесов повышает среднее тепло, а осушение болот приводит к локальному похолоданию и учащению заморозков зимой.

В новейшей истории тоже было наблюдение за влиянием человека на климат. В 1930–1940-е годы Великие равнины США были заполнены пшеницей, её выращивали в огромных количествах. Современных сельскохозяйственных технологий не было, и в результате образовалась эрозия почвы. Начался период "пищевого котла", когда весь образовавшийся песок в период засухи начал распространяться по всей территории США, доходя до Нью-Йорка.

Современное внимание к вопросам климата и глобального потепления началось с изучения ледникового периода. Швейцарский физик Луис Огасис заметил: если путешествовать по Альпам, то можно увидеть валуны, выбивающиеся из ландшафта. И у него появилась идея, что эти камни были принесены льдом. Огасис придумал термин "ледник", пытался понять траекторию их движения и предположил, что ему предшествовал ледниковый период.

Эту идею подхватил великий русский учёный Пётр Кропоткин, который занимался ледниками Восточной Сибири. Находясь в тюрьме и продолжая вести научную работу, он предсказал, что где-то в Северном Ледовитом океане должна быть земля, откуда пришёл ледник. Австро-Венгерская империя отправила туда экспедицию, которая и нашла эту землю, получившую название Франца-Иосифа.

Великий учёный, математик и физик Джозеф Фурье предположил, что атмосфера удерживает тепло — прозрачная для света и непрозрачная для инфракрасных волн. Он впервые ввёл понятие "парниковый эффект".

Позднее это явление было научно доказано Джоном Тиндалем, который создал инфракрасный спектрометр. Он обнаружил, что азот и кислород не поглощают инфракрасные лучи (ИК), а вот озон, метан, оксид азота и углекислый газ поглощают в большом количестве.

Оказалось, что вода является самым крупным поглотителем ИК. Наибольший вклад в создании парникового эффекта на Земле пришёлся на воду и диоксид углерода (СО2).

Изменение в атмосфере влияют на температуру Земли за счёт большего или меньшего поглощения ИК-света.

Первую климатическую модель для изучения парникового эффекта составил шведский учёный Сванте Аррениус. Он вычислил, что если СО2 в атмосфере увеличится в два раза, то это приведёт к повышению температуры в атмосфере на 5 градусов. И наоборот, уменьшение в два раза приведёт к ледниковому периоду. Он считал глобальное потепление благом, которое поможет побороть голод и бедность.

И вот в XXI веке его праправнучка Грета Тунберг выступает против глобального потепления и необходимость охлаждения Земли.

Только в 1988 году научная общественность вернулась к  теме глобального потепления. Выступая перед конгрессом США, климатолог Джеймс Хансен рассказал, что современное глобальное потепление — не случайная флуктуация, а результат накопления парниковых газов. Он занимался космосом и параллельно составлял климатические модели. Применив свои модели, он увидел, что деятельность человека ускоряет процессы климатического изменения.

Но вскоре, в 1991 году, на Филиппинах произошло извержение вулкана Пинатубо и началась вулканическая зима. Средняя температура упала примерно на 0,6 градуса. И люди разочаровались в теории Хансена.

Однако спустя годы аэрозоль от извержения рассеялся и температура на Земле снова начала расти. И научное сообщество в мире серьёзно занялось вопросами глобального потепления.

Каковы основные маркеры глобального потепления?

Уровень Мирового океана. За 140 лет он поднялся на 20 см.

Повышение содержания диоксида углерода. Вода поглощает СО2 из атмосферы. И маркером является закисление Мирового океана. И чем выше уровень закисления океана, тем меньше шансов на выживание у морского планктона.

Таяние льдов. Лёд отражает свет, а океан поглощает. Со спутников хорошо видна площадь льдов в Арктике, которая со временем резко уменьшается. В Антарктиде откалываются айсберги в несколько гигатонн. Для примера: всего одна гигатонна льда в несколько раз больше самых высоких зданий на Манхэттене, вместе взятых. 

В Антарктиде есть ледник Судного дня, который, если растает, поднимет уровень Мирового океана на полметра.

Следующий маркер — осадки. Так, например, можно отметить изменение характера дождей в Москве. Наши дожди всё больше начинают напоминать тропические. Вероятность таких штормов со временем будет меняться. Если температура на Земле поднимется на 3 градуса, площадь обильных штормовых осадков вырастет на 40%.

К слову, за последние 50 лет среднегодовая температура в отдельных районах Земли, преимущественно в высоких широтах, выросла на 4 градуса.

Таким образом, угрозы, которые несёт глобальное потепление, очевидны.

Европейская комиссия выделила четыре основных фактора человеческой деятельности, которые влияют на климат: сжигание топлива, вырубка лесов, животноводство и растениеводство.

В первой половине прошлого века нобелевский лауреат в области термодинамики немецкий физик и химик Вальтер Нернст продал всех своих коров, так как они нарушали термодинамическое равновесие с окружающей средой, и купил рыб. Это был, пожалуй, единственный ответственный фермер.

Измерение влажности, давления, температуры началось в середине XIX века. С 1850 года начали использоваться инструментальные методы измерения климата. Европа, Америка и Центральная Россия имеют покрытия своей территории метеостанциями, вот уже 150 лет мы имеем надёжные данные наблюдений. А в последние 30 лет человечество получает качественные данные со спутников.

Самый простой и универсальный подход — это оценка среза дерева. Толщина годового кольца зависит от температуры и влажности периодов жизни дерева.

Рекордсменом по возрасту среди проанализированных оказалось дерево Прометей — 5200 лет, которое вырубил американский дендролог Эдмунд Шульман. Таким образом, появились данные о климатических условиях в конкретном районе Калифорнии более чем за пять тысяч лет.

В природе существует "машина времени" — Антарктида. Она не таяла по крайней мере несколько миллионов лет. Этот лёд несёт всю информацию, которая нужна климатологам. Для этого берут керн и по скорости накопления льда оценивают условия по временным промежуткам. Слои льда, как кольца у деревьев, позволяют определить не только возраст, но и климатические условия его формирования.

Перспектива изучения здесь огромная, учитывая глубину льдов Антарктиды, достигающих 4,7 км.

Керны содержат пузырьки воздуха в момент формирования слоя. Так можно проанализировать состав воздуха 400–500 тыс. лет назад. Сегодня есть данные по составу воздуха, который был на Земле миллион лет назад!

Анализ данных кернов со станции "Восточный" позволил составить диаграмму изменения температуры за последние 500 тыс. лет. Согласно этим данным, было три периода глобального потепления и, соответственно, три периода похолодания.

И сейчас как раз должен был начаться период похолодания. Но этого не произошло.

Оказалось, что в воздухе стремительно растёт уровень СО2 и метана. Никогда ранее такого не было, и связать это с природными циклами уже нельзя. Очевидно, сказывается влияние деятельности человека.

Для ответа на этот вопрос учёные занимаются изучением глобального цикла углерода.

Углерод из атмосфер связывается формируется растениями или фототрофными бактериями. Далее происходит его миграция в разные экосистемы. Почва сама по себе является достаточно сложным объектом для изучения. В частности, анализируется так называемое почвенное дыхание, которое состоит из СО2 и метана. В зависимости от того, какой состав и какова активность у микробной биомассы, будет разная интенсивность дыхания почвы.

Этот процесс мог быть остановлен в вечной мерзлоте. 40% России — Сибирь и Дальний Восток — покрыты непрерывной вечной мерзлотой, которая не таяла десятки тысяч лет. В ней содержится огромное количеством различных "законсервированных" микробов. И в результате таяния всё больше микробов и органических веществ попадает в окружающую среду.

Были взяты связанные композиты едомы — это почва, которая 40 тыс. лет не таяла, и алас, то есть ложбина, возникшая в результате термокастра — проседания почвы в процессе таяния льдистых мёрзлых пород в предыдущее глобальное потепление. Если мы сравниваем состав едома и термокарста, мы, по сути, наблюдаем за преобразованием органического состава в условиях потепления при переходе из плейстоцена в голоцен. Вместе с коллегами мы отобрали керны почвы, выделили оттуда органическое вещество и проанализировали двумя путями.

Первый — элементный анализ. Микробы поглощают то, что насыщенное, белки, липиды, то, где очень много водорода.

Второй путь — с помощью масс-спектрометров с самой большой из доступных точностью измерения масс. В России пять таких приборов для точного молекулярного анализа. С помощью таких приборов получают масс-спектр, благодаря чему мы можем оценить не просто присутствие компонентов, но и их соотношение. Мы получаем возможность узнать молекулярный состав каждого компонента.

Получилось, что даже поверхностный слой едомы, который может растаять в ближайшие 100 лет, обогащён насыщенными соединениями. Глубокий же термокастр (15 м) ими обеднён.

Что мы ожидаем с химической точки зрения? В результате таяния вечной мерзлоты много биолабильного органического вещества будет попадать на поверхность и будет поглощаться. А в чём особенность биолабильного вещества? Оно превращается в СО2. Таяние вечной мерзлоты в результате глобального потепления приведет к ещё большему потеплению. То есть процесс будет всё больше ускоряться, что можно по аналогии с химией назвать автокатализом.  

Высвобождение углерода в результате таяния приведёт к ускорению потепления и выделения СО2 и метана.

Хорошо, что голос учёных был услышан. В 2015 году было подписано Парижское соглашение по климату. Оно обязывает страны сократить выбросы парниковых газов до уровня 1990 года. США пытаются это сделать. Россия сократила даже больше чем требовалось. Германия тоже. Китай немного игнорирует соглашение. Почему это важно? Если человечество не будет придерживаться таких ограничений, температура воздуха на планете к 2100 году увеличится на 5 градусов. Но даже если будут такие ограничения, температура на Земле всё равно будет расти, но медленнее. Это вопрос не "что если?", а "когда?" и "как быстро?". Так же как и с пандемией ковида. Ограничения были введены не для того, чтобы полностью его победить, что невозможно, а чтобы больницы справлялись с потоком больных.

Первое — это переработка отходов. Вместо того чтобы закапывать мусор и превращать свалки в реактор парниковых газов, нужно ввести раздельный сбор отходов и их переработку.

Это небольшой вклад. На уровне 1/1000 доли всех выбросов, при условии если мы все станем сортировать мусор. Есть более революционный метод, его предложила норвежская нефтяная компания Statoil. Суть: в те скважины, из которых выкачана нефть, закачивать СО2. Он будет там в некотором смысле похоронен. Планируется, что таким образом можно утилизировать 1,5 млн тонн СО2 в год.

В 2019 году было подписано соглашение между несколькими компаниями. Один такой проект может забрать 0,005% ежегодных выбросов СО2. Прежде чем система заработает, нужно решить много научных проблем. Как улавливать углекислый газ, как транспортировать. Необходимо убедиться, что это не вызовет тектонических последствий. Но научные данные показывают, что такой проект возможен.

Итог. Климат менялся и без воздействия человека, но человек ускорил этот процесс. Во власти человечества замедлить потепление климата на планете.

Записала Татьяна Петренко