Важнейшая задача ученых, занимающихся подземными водами, — точно измерить скорость подпитки, чтобы знать допустимые темпы водозабора. Это непростая задача, потому что область, питающая какой-нибудь водоносный слой, может оказаться очень большой, охватывать различные виды рельефа и улавливать разное количество осадков. На простейшем уровне приблизительную оценку баланса между поступлением воды в водоносный слой и ее забором оттуда можно получить, отслеживая уровень жидкости в скважинах; однако в настоящее время используются количественные подходы, включающие компьютерные модели всей системы водоносного горизонта, а также стратегии сохранения избыточных поверхностных вод в природных водоносных слоях — им не дают испаряться или стекать. Большинство из нас воспринимает утренний душ как должное, однако во многих местах это возможно только потому, что специалисты выяснили информацию о залегающих водоносных слоях и областях их подпитки и разработали эффективные планы обеспечения стабильности потока воды из наших водопроводных кранов.
Однако эти стратегии, возможно, придется пересмотреть из-за изменений климата. По мере того как Земля нагревается, повышается скорость испарения, что, в свою очередь, увеличивает количество осадков. По сути, весь цикл ускоряется, и через атмосферу проходит больше воды. Это, видимо, увеличит частоту и бурь, и засух, а также труднопредсказуемым образом изменит характер выпадения осадков по всему земному шару.
Глобальное потепление повлияет также и на круговорот воды — может быть, не так заметно, но для человечества это окажется не менее важно. Во многих частях мира основным источником пресной воды, будь то грунтовые воды или поверхностные потоки, являются ледники. Особенно важны ледники в Гималаях и Андах: они обеспечивают водой сотни миллионов людей. Однако размер этих хранилищ пресной воды быстро сокращается, и многие в конечном итоге полностью исчезнут из-за потепления климата.
В краткосрочной перспективе быстрое таяние ледников приводит к поступлению пресной воды в подземные водоносные слои и поверхностные потоки, что дает ложное ощущение их долговременного потенциала — причем не только для водоснабжения, но и для строительства гидроэлектростанций. Однако в долгосрочной перспективе (а в случае некоторых гималайских ледников этот более длительный срок будет измеряться десятилетиями, максимум несколькими сотнями лет) исчезновение ледников приведет к серьезным последствиям. На волоске висит снабжение водой значительной части населения Индии, Пакистана, Китая и стран Юго-Восточной Азии. Возникают важные вопросы, которые еще только придется решать международному праву. Кому «принадлежит» вода ледника, который расположен в Тибете, но питает реки, текущие в Индию и далее в Бангладеш? А что насчет водоносных слоев, которые пересекают границы стран? С такими вопросами трудно разобраться даже самым добрым соседям, а уж в регионах старинной вражды они могут разжечь конфликт. Но безотносительно к юридическим вопросам и национальным границам перед учеными стоит срочная задача — собрать информацию о круговороте воды для разных регионов и его изменении при потеплении климата. Это нужно для обеспечения надежного доступа к водным ресурсам для растущего населения мира.
Наконец, давайте обратимся к тому вопросу, который, похоже, волнует всех: изменения климата. Без сомнения, это один из центральных вопросов (возможно, самый главный) для современных специалистов в геонауках, да и вообще для всех жителей нашей планеты. Близким вопросом, которому уделяют намного меньше внимания, является повышение кислотности воды в океанах; как мы видели в главе 9 при обсуждении Великого потепления 55 миллионов лет назад, его тоже вызвало повышение уровня углекислого газа в атмосфере.
Поскольку я изучаю Землю, меня часто спрашивают, «верю» ли я в глобальное потепление, и действительно ли деятельность человека меняет климат планеты. Иногда это приводит к долгим изнурительным спорам. Сам по себе скептицизм — это нормально: когда люди ставят под сомнения какие-то предположения, обе стороны в дискуссии чему-то учатся. Однако существуют и те, кто искажает факты или отказывается признать истинность хорошо документированных наблюдений. Когда дело касается таких тем, как потепление климата или эволюция, в этой второй категории, похоже, оказывается весьма много людей.
В вопросе влияния человечества на климат есть несколько неоспоримых фактов. Прежде всего, углекислый газ в атмосфере улавливает тепло, которое в противном случае излучалось бы в космос. Этот принцип физической химии впервые описал английский физик Джон Тиндаль в середине XIX века[72]. Второй неоспоримый факт — деятельность человека резко увеличила количество углекислого газа (и других парниковых газов) в атмосфере. То, что при сжигании угля в атмосферу выделяется углекислый газ, впервые понял в 1895 году шведский химик Сванте Аррениус, будущий лауреат Нобелевской премии по химии. Аррениус подсчитал, что двух- или трехкратное увеличение количества двуокиси углерода в атмосфере вызовет значительное повышение температуры в северных регионах — возможно, на целых 8 градусов Цельсия. Ученый решил, что это всерьез подогреет Стокгольм, но затем вычислил, что при текущей скорости сжигания угля для этого понадобится несколько тысяч лет, так что последствий он не увидит. Однако Аррениус не мог предположить, сколько угля, нефти и газа будут сжигать люди в XX и XXI веках. За последние несколько веков из-за деятельности человека содержание диоксида углерода в атмосфере увеличилось на треть с лишним; наши действия нарушили природные процессы, которые поддерживали равновесие тысячи лет до этого. Наконец, третий неоспоримый факт: когда ученые расшифровывали информацию из горных пород, океанических отложений и ледяных кернов, они узнали, что в прошлые эпохи высокий уровень углекислого газа соответствовал теплым периодам, а низкий совпадал с холодными. Даже если оставить в стороне сложности климатической системы, вопросы положительной и отрицательной обратной связи, неопределенность при моделировании будущего климата, эти три факта дают нам основания очень серьезно отнестись к общему мнению климатологов, что парниковые газы от человеческой деятельности резко поднимают глобальную температуру и что в обозримом будущем эта тенденция продолжится.
Роль ученых сейчас заключается в отслеживании, анализе и моделировании климатической системы (в прошлом и в настоящем), а также в прогнозировании возможных последствий тех или иных действий, которые может предпринять наше общество, столкнувшись с ростом концентрации парниковых газов. Прогнозирование — важная часть этой работы, однако все прогнозы — от оценки общемировой температуры через столетие до предсказания победителя Супербоула[73] в следующем году — страдают неопределенностью. Ключом к точному прогнозированию является снижение неопределенности до минимально возможного уровня. В случае климата это означает, что модели должны включать все известные факторы, влияющие на климат, от альбедо поверхности до облачности и циркуляции океанов; что в модели необходимо встраивать высокое временное и географическое разрешение, чтобы можно было следить за короткими интервалами времени и небольшими участками территории; что необходимо хорошо понимать причины и природу прошлых изменений климата. К счастью, во всех этих областях за последние годы достигнут большой прогресс, чему способствовала доступность вычислительных мощностей. Несмотря на критику, которая появляется в СМИ, точность климатических моделей быстро совершенствуется, а доверие к их предсказаниям растет. Трудность состоит в необходимости убедить политиков и население в том, что последствия прогнозируемого повышения температуры требуют, чтобы мы начали действовать уже сегодня, и проблема усугубляется общемировыми масштабами этого явления.
Повышение кислотности океанов предсказать гораздо легче, чем изменения климата, потому что этот процесс прост: из-за увеличения содержания углекислого газа в атмосфере всё большее его количество растворяется в морской воде, и она становится более кислой. Растворимость газа хорошо известна, и поэтому довольно просто вычислить, какой будет кислотность при определенной концентрации газа в атмосфере. Проблема — не для ученых, а для океана — состоит в том, что нынешний рост двуокиси углерода не имеет прецедентов. Те природные процессы отрицательной обратной связи, которые уменьшают количество углекислого газа в атмосфере (например, усиление выветривания континентальных горных пород или нейтрализация кислотности океана посредством растворения осадочного карбоната кальция) работают во временных масштабах, которые гораздо больше, чем те несколько столетий, когда люди будут добавлять огромное количество диоксида углерода в систему океан-атмосфера (мы каждый час добавляем в атмосферу больше миллиона тонн этого вещества). По сравнению с этим интервалом океаны перемешиваются медленно, а это означает, что в краткосрочной перспективе повышение кислотности затронет в основном поверхностные воды, находящиеся в прямом контакте с атмосферой (океанологи обнаружили измеримое повышение кислотности поверхностных вод только в последние два десятилетия; со времен начала промышленной революции повышение составило 30 %). Потребуются тысячи лет, чтобы эти воды прошли через весь океан.
Возможно, из-за того, что в центре внимания вечно оказывалось глобальное потепление из-за увеличения количества парниковых газов, повышение кислотности океана до последнего времени оставалось в тени, и исследования последствий такого процесса находятся на начальной стадии. Однако существуют национальные и международные программы по изучению этого явления, и эта тема, несомненно, будет все чаще и чаще привлекать к себе внимание. То, что известно на сегодняшний день, не обнадеживает. Например, лабораторные исследования показывают, что с повышением кислотности воды замедляется размножение некоторых морских обитателей — в частности, это касается таких важных промысловых видов, как устрицы. Этот процесс негативно повлияет на большинство морских организмов, которые строят раковины и скелет из карбоната кальция: у них будет меньше возможностей создавать себе прочные опорные и защитные конструкции. Здесь важнейшими организмами являются кораллы. Коралловые рифы обеспечивают защиту от волн и штормовых нагонов, а также являются важными экосистемами для множества морских обитателей, включая ценных промысловых рыб