Мы расплачиваемся за ископаемое топливо не только деньгами. «Сатанинские фабрики» в Англии на заре промышленной революции отравили воздух и вызвали эпидемию респираторных заболеваний. Лондонский смог – «густой желтый туман», знакомый нам по экранизациям приключений Холмса и Ватсона, истории доктора Джекила и мистера Хайда и преступлений Джека-потрошителя, был следствием чудовищного бытового и промышленного загрязнения, главным образом от сжигания угля. Сегодня наши города отравляют автомобильные выхлопы, лишая здоровья и счастья самих жителей, виновников загрязнения. Мы знаем о кислотных дождях и экологических бедствиях из-за разливов нефти. Но принято считать, что все эти наносящие ущерб здоровью людей и окружающей среде последствия с лихвой компенсируются благами, обеспечиваемыми ископаемым топливом.
Однако правительства и рядовые граждане постепенно открывают для себя еще одно опасное следствие сжигания горючих ископаемых. При сгорании угля, бензина или природного газа углерод из топлива соединяется с кислородом воздуха. При этой химической реакции высвобождается энергия, запасенная около 200 млн лет назад. Но при соединении атома углерода С с молекулой кислорода О2 образуется еще и молекула углекислого газа СО2:
являющегося парниковым газом.
От чего зависит средняя температура на Земле, планетарный климат? Количество тепла, поступающего от центра Земли, пренебрежимо мало по сравнению с теплом, которое несут на поверхность планеты солнечные лучи. Если бы Солнце вдруг погасло, температура на Земле упала бы настолько, что воздух бы замерз и планету покрыл бы 10-метровый слой снега из азота и кислорода. Мы знаем, сколько солнечного света достигает Земли, нагревая ее. Можно ли вычислить, какой должна быть средняя температура на ее поверхности? Это простой расчет, требующий лишь базовых знаний астрономии и метеорологии, – очередной пример наглядности и красоты количественного анализа.
Количество солнечной энергии, поглощаемой Землей, должно соответствовать количеству энергии, излучаемой обратно в космос. Мы и не задумываемся о том, что Земля – излучающее тело, и во время ночного полета на самолете не видим ничего светящегося на ее поверхности (за исключением городов). Дело в том, что мы воспринимаем ее в обычном видимом свете, к которому чувствителен человеческий глаз. Если бы мы могли, миновав красную область видимого диапазона, заглянуть в так называемую тепловую инфракрасную часть спектра – например, с длиной волны в 20 раз большей, чем у желтого света, – то увидели бы, что Земля светится собственным таинственным холодным инфракрасным свечением: в области Сахары сильнее, чем в Антарктике, днем интенсивнее, чем ночью. Это не отраженный солнечный свет, а тепло самой планеты. Чем больше энергии поступает от Солнца, тем больше Земля излучает в космос. Чем теплее Земля, тем ярче она светится во тьме.
Степень нагрева планеты зависит от интенсивности свечения Солнца и отражательной способности Земли. Все, что не отразилось обратно в космос, поглощается поверхностью, облаками и воздухом. Если бы Земля была идеальным отражателем, как зеркало, падающие солнечные лучи вообще бы ее не нагревали. Разумеется, большая часть отражаемого света относится к видимой части спектра. Приравниваем поступающее тепло (зависящее от степени поглощения солнечного света Землей) к отдаваемому (что определяется земной температурой) и получаем расчетную температуру нашей планеты. Что может быть проще! Каков же результат?
Расчет показывает, что средняя температура Земли должна быть примерно 20 °С ниже нуля. Океаны превратились бы в гигантские глыбы льда, а мы просто вымерзли бы. Земля была бы непригодной для жизни практически всех биологических видов. Где же мы ошиблись?
Ошибка не в вычислениях как таковых. Мы просто не учли один фактор – парниковый эффект. Мы рассуждали так, словно у Земли нет атмосферы. Но воздух, прозрачный для видимого света (за исключением таких мест, как Денвер и Лос-Анджелес), значительно менее проницаем для теплового инфракрасного излучения, а именно в этой части спектра Земля отдает тепло в космос. Эта разница оказывается принципиальной. Некоторые газы в нашей атмосфере – углекислый газ, водяной пар, определенные оксиды азота, метан, хлорфторуглероды – активно поглощают инфракрасное излучение, являясь практически прозрачными для видимого света. Когда планету окружает слой таких газов, солнечный свет все равно достигает ее поверхности, но собственное излучение планеты не уходит в космос, его задерживает поглощающее инфракрасные лучи газовое одеяло. В видимом свете оно прозрачно, в инфракрасном диапазоне полупрозрачно. Вследствие этого температура Земли должна повыситься, чтобы сохранить равновесие между теплом, поступающим от Солнца и отводимым от ее поверхности собственным излучением. Учтя в уравнении проницаемость парниковых газов для инфракрасного излучения и количество удерживаемого ими тепла Земли, вы получите правильный ответ: в среднем – по всем временам года, широтам и времени суток – около 13 °С выше нуля. Поэтому океаны не замерзают, и климат благоприятствует жизни биологических видов и человеческой цивилизации.
Наша жизнь зависит от тонкого баланса невидимых газов, составляющих малую часть земной атмосферы. В ограниченном масштабе парниковый эффект полезен. Но с увеличением содержания парниковых газов – а мы наращиваем его непрерывно с начала промышленной революции – количество поглощаемого инфракрасного излучения также растет. Одеяло становится толще. Земля нагревается сильнее.
Для общественности и политиков все эти невидимые газы, инфракрасное одеяло и расчеты физиков – просто сотрясание воздуха. Прежде чем принять трудное решение о выделении средств, не разумно ли дождаться более надежных свидетельств того, что парниковый эффект вообще существует и с определенного момента становится опасным? Что ж, у нас перед глазами имеется поучительный пример – соседняя планета. Венера немного ближе к Солнцу, чем Земля, но затянувшие ее облака обладают такой высокой отражающей способностью, что она поглощает меньше солнечного света. В отсутствие парникового эффекта на ней было бы холоднее, чем на Земле. Размерами и массой Венера очень похожа на Землю – казалось бы, чудесное землеподобное местечко, рай для будущих туристов. Однако, отправив космический аппарат через венерианские облака – к слову, состоящие в основном из серной кислоты, – как сделал Советский Союз, создавший новаторскую серию исследовательских аппаратов «Венера», – вы обнаружите там чрезвычайно плотную атмосферу, преимущественно из углекислоты, с давлением у поверхности в 90 раз больше земного. Теперь, по примеру спускаемого аппарата «Венера», воткните в эту атмосферу термометр, и вы намеряете около 470 °С – достаточно, чтобы расплавить олово и свинец. Температура на поверхности Венеры выше, чем в самой жаркой кухонной духовке, из-за парникового эффекта, главной причиной которого является мощная атмосфера из углекислого газа. (Имеются также малые количества водяного пара и других газов, поглощающих инфракрасное излучение.) Венера – наглядный пример негативных последствий избытка парниковых газов. Вот куда нужно тыкать носом ангажированных ведущих ток-шоу, называющих парниковый эффект «уткой».
С увеличением населения Земли и дальнейшим технологическим развитием в атмосферу выбрасывается все больше парниковых газов. Существуют природные механизмы удаления этих газов из воздуха, но мы так быстро их производим, что природа не справляется. Сжигая ископаемое топливо, уничтожая леса (деревья поглощают углекислый газ и используют его для строительства своих тканей), мы, люди, выбрасываем в атмосферу порядка 7 млрд тонн СО2 в год.
На рисунке ниже показано увеличение содержания двуокиси углерода в атмосфере Земли. Данные получены атмосферной обсерваторией Мауна-Лоа на Гавайях. Там нет ни высокоразвитой промышленности, ни интенсивной вырубки лесов на дрова (при сжигании древесины также выделяется углекислый газ). Зафиксированный на Гавайях рост концентрации углекислоты является следствием экономической деятельности на Земле в целом. Общая циркуляция воздушных масс распределяет его по всей планете. Как видите, каждый год содержание углекислого газа то увеличивается, то уменьшается. Дело в том, что лиственные деревья поглощают СО2 из атмосферы только летом, когда они покрываются листвой. Однако помимо этих ежегодных колебаний прослеживается долгосрочный тренд, совершенно однозначный. Содержание СО2 в воздухе ныне превышает 350 частей на миллион – больше, чем когда-либо за всю историю человечества[29]. Хлорфторуглероды накапливались быстрее всего – примерно на 5 % в год – из-за взрывного всемирного роста соответствующих отраслей, но сейчас их количество снижается[30]. Других парниковых газов, например метана, также становится все больше из-за сельскохозяйственного и промышленного производства.
Итак, мы знаем, сколько парниковых газов скопилось в атмосфере и вроде бы представляем себе, насколько при этом снижается ее проницаемость для инфракрасных лучей. Можно ли вычислить, в какой мере рост температуры в последние десятилетия был вызван именно накоплением СО2 и других газов? Да, можно, но с осторожностью. Следует учесть, что количество энергии, излучаемой Солнцем, циклически уменьшается и увеличивается и цикл составляет 11 лет. Нужно помнить, что вулканы иногда просыпаются и выбрасывают в стратосферу мельчайшие капли серной кислоты, хорошо отражающие солнечный свет, вследствие чего Земля немного охлаждается. По расчетам, крупное извержение способно снизить температуру на планете почти на один градус Цельсия на несколько лет. Не забудем также, что в нижних слоях атмосферы из-за выбросов промышленных предприятий висит пелена из крохотных серосодержащих частиц. Разрушая здоровье людей, она вместе с тем, охлаждает Землю. Тот же эффект оказывает пыль, поднятая ветром с распаханной почвы. Учтя все эти и многие другие факторы и проделав работу, которой сегодня занимаются опытные климатологи, вы придете к следующему выводу: на протяжении XX в. сжигание ископаемого топлива должно было повысить среднюю температуру на Земле на несколько десятых долей градуса Цельсия.