Дарующее нам тепло, свет и саму жизнь Солнце светит неравномерно. Бывают периоды большей и меньшей светимости. Несколько слов о механизме светимости Солнца.
В центральной части Солнца - ядре - происходят термоядерные реакции. Выделяемая энергия через слой, называемый мантией, переносится на поверхность, а с поверхности эта энергия излучается в мировое пространство. Небольшую толику излученной энергии получает Земля, и это определяет температуру на нашей планете. Энергия переносится через мантию двумя способами - излучением и конвекцией. При конвекции разогретые массы плазмы медленно поднимаются к поверхности, на это уходят тысячи лет. С поверхности плазма излучает энергию в пространство и, соответственно, охлаждается. "Остывшая" плазма (ее температура 4 - 4,5 тысячи градусов) проваливается вниз, уступая место новым потокам из недр Солнца. Как обнаружилось при изучении потоков заряженных частиц и нейтрино от Солнца, этот процесс непостоянен. Остывшая плазма не спешит "проваливаться" вниз: в глубины мантии. На поверхности Солнца должно накопиться достаточно много остывшей плазмы, чтобы началось ее обрушение вниз.
Можно дома проделать такой маленький эксперимент: налейте полный стакан воды - так, чтобы мениск воды был точно на уровне края стакана. А затем начинайте добавлять воду по каплям. Мениск воды станет выпуклым (благодаря силам поверхностного натяжения), и в какой-то момент вода перельется через край. Обратите внимание - вытечет примерно чайная ложка воды, хотя за секунду до этого вы добавили лишь одну каплю! Опыт можно продолжить далее, добавляя в стакан воду по капле, но выливаться она будет порциями. Это маленькая аналогия происходящих на Солнце процессов: горячая плазма всплывает на поверхность равномерно, как мы капали по капле, а переливается за край маленькими порциями.
С каждым таким "переливом за край" светимость Солнца чуточку возрастает - какие-нибудь проценты. Затем плавно возвращается к прежнему уровню.
В замечательной монографии выдающегося советского астронома И. С. Шкловского "Звезды: их рождение, жизнь и смерть", первое издание которой вышло более сорока лет назад, автор успокаивает - эти изменения незначительны, скорее всего, они не превысят 1 - 2%. И добавляет, что, судя по структуре излучения Солнца, мы переживаем сейчас конец "ледникового" периода. Потепление, писал он, может начаться в любой момент, внезапно, и займет небольшой по астрономическим понятиям срок - не более ста лет. Сказано было это еще тогда, когда о глобальном потеплении никто и не слышал...
Вторая причина колебаний количества тепла и света, получаемого Землей, - это вариации земной орбиты и движения нашей планеты вокруг Солнца.
Мы привыкли приближенно считать орбиту Земли вокруг Солнца круговой, а саму нашу планету - идеальным шаром. Но это не так. Земля то приближается к Солнцу, то отдаляется от него. Считанные проценты, но это влияет. Земная ось отклонена от вертикали на 23 градуса, и это тоже влияет. Есть много дополнительных факторов, влияющих на получение Землей солнечной энергии. Их исследовал в первой половине прошлого века талантливый сербский астроном и климатолог М. Миланкович.
Так появилось понятие о циклах Миланковича. Сам он выделил несколько долгопериодических циклов - 93-тысячелетний цикл, обусловленный колебаниями эксцентриситета орбиты, 26-тысячелетний цикл, обусловленный прецессией земной оси, и несколько среднепериодических циклов.
Совокупное влияние этих циклов не так уж мало - при наложении нескольких максимумов энергия, получаемая от Солнца, оказывается на 10% выше по отношению к точке наложения минимумов!
В наши дни теория Миланковича получила развитие в трудах профессора И. Смульского (http://samlib.ru/s/smulxskij_i_i/ospoatlp3.shtml).
Начиная с 90-х годов минувшего века, в Антарктиде проводится глубинное бурение и исследование кернов льда. Эти керны содержат небольшие пузырьки воздуха, представляющие собой уникальные хранилища атмосферы прошлого. Анализируя эти пузырьки, ученые узнают, какова была температура и структура атмосферы тысячи лет назад.
Синим цветом показана температура воздуха, зеленым - концентрация углекислого газа, красным - запыленность. Данный график охватывает период в 400 тысяч лет.
Сразу же бросается в глаза почти полное совпадение графиков концентрации углекислого газа и температуры.
Углекислый газ вырабатывают в основном живые организмы. Поглощают - растения, большую часть - 2/3 - океанский планктон и фитопланктон. Равновесие этих процессов зависит от температуры на планете. Чем более будет разница между средней температурой суши и средней температурой океана, тем более будет концентрация углекислого газа. Океан прогревается медленнее, в глубине его царит постоянная температура (плюс 4 по Цельсию), а тонкий слой суши, ставший местом обитания живых существ, прогревается легко. При потеплении биомасса на поверхности земли увеличивается быстрее, чем в недрах океана. Это и объясняет тот факт, что вслед за ростом температуры повышается концентрация углекислого газа. И так же - в обратную сторону, при похолоданиях.
Теперь можно переходить к парниковому эффекту, о котором столько говорят в последние десятилетия.
Парниковый эффект - это повышение температуры нижних слоев атмосферы за счет того, что некоторые газы препятствуют излучению тепловой энергии с поверхности планеты в космическое пространство. Он играет решающую роль в сохранении жизни на Земле - если бы парникового эффекта не было, температура была бы почти на 40 градусов ниже, чем сейчас.
Создается парниковый эффект водяным паром, углекислым газом, метаном и озоном. Но основная доля приходится на водяной пар, его высокая "готовность" задерживать излучение понятна из графика.
На графике по оси абсцисс указаны длины волн ИК-излучения, на которых углекислый газ и водяной пар поглощают тепло.
Очень обстоятельные исследования парникового эффекта были проведены в Национальном центре атмосферных исследований (NCAR - National Center for Atmospheric Research) - одной из крупнейших организаций, которая вот уже много десятилетий занимается исследованиями атмосферы. Они так оценили удельный вес газов в создании эффекта:
водяной пар - 60%;
углекислый газ - 26%;
озон - 8%;
метан - 6%.
Исследования, проведенные в Ливерморской национальной лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory), показали, что облака (водяного пара) усиливают парниковый эффект в нелинейной пропорции.
Тогда доля водяного пара возрастает до 70%, а доля углекислого газа снижается до 22%.
То, что водяной пар оказывает более сильное воздействие, не должно удивлять - его в атмосфере примерно в 30 раз больше, чем углекислого газа, - около 1%. Если весь водяной пар осадить на землю, то получится слой толщиной примерно в 25 миллиметров!
Приходится констатировать - борьба с выбросами углекислого газа в атмосферу и борьба с парниковым эффектом - это не одно и то же. Если удастся снизить выбросы углекислого газа в атмосферу на 20%, то парниковый эффект снизится всего на 4-5%.
Но на проходившей со 2-го по 14 декабря 2018 года в польском городе Катовице 24 конференции ООН по климату говорили только об углекислом газе. О водяном паре вообще не упоминалось, а о метане - третьем по важности компоненте атмосферы, создающем парниковый эффект, упомянули вскользь. Была объявлена цель - мобилизовать страны мира для предотвращения необратимых катастрофических климатических изменений. В материалах конференции подробно описываются те ужасы, которые могут ожидать мировое сообщество, если оно допустит повышение температуры на планете более чем на 2 градуса. Более того, в заключительном документе говорится, что человечество может удержать глобальное потепление в рамках 1,5 градуса. Правда для этого потребуются невероятные средства. Была приведена оценка - нужно расходовать по 2400 миллиардов долларов ежегодно в течение ближайших 20 лет. Цифра настолько ошеломляющая, что пришлось несколько раз перепроверять - может, приписали лишний нолик в конце - по ошибке? Нет, действительно 2400 миллиардов в год на борьбу с выбросами углекислого газа, хоть парниковый эффект и создается в основном другим газом.
Стоит особо отметить, что финансовым операциям - одной из главнейших функций "борьбы" с выбросами углекислого газа - на конференции уделялось большое внимание. Планируется создание международных брокерских компаний, онлайн-магазинов, торговых платформ, которые будут торговать "углеродными компенсациями" - кредитами на снижение выбросов углекислого газа.
Вспоминается фантастический роман А. Беляева "Продавец воздуха" (1929 год). В этой книге некто Бэйли создает ажиотаж и панику в связи с изменением климата на Земле, чтобы начать торговлю воздухом... Фантастика становится реальностью?
На конференции широко обсуждался и получил одобрение грандиозный проект CCS (Carbon capture and storage).
Проект предусматривает строительство специальных улавливателей углекислого газа на электростанциях, других крупных источниках его выброса в атмосферу с последующим захоронением отобранного углекислого газа в хранилищах под землей. Оставим в стороне этическую часть проблемы - хранение под землей всего лишь отодвигает решение проблемы на потом, предлагает заняться этим нашим внукам, ведь подземный газ никуда не денется и когда-нибудь начнет просачиваться наружу.
Первая электростанция с улавливателем углекислого газа - Schwarze Pumpe - начала работать в Восточной Германии в 2008 году. Специальные фильтры улавливали 80 - 90% выделяемого углекислого газа. На обеспечение процесса расходовалось более 25% вырабатываемой электростанцией энергии. Стоимость выработанной электроэнергии возросла почти вдвое. В 2014 году проект был закрыт по финансовым соображениям.
На снимке - электростанция Schwarze Pumpe близ Берлина. Обратите внимание на градирни. Станция резко сократила выброс углекислого газа в атмосферу, но увеличила выбросы водяного пара...