Глобальное потепление как проблема, несмотря на отчаянные призывы ученых, очень медленно укореняется в головах как сильных мира сего, так и простых людей. Такими темпами мы уже в ближайшие год-два рискуем потерять арктический лёд, а с ним и большую часть арктической фауны.
Геохимикам удалось найти первые доказательства работы долговременного механизма регулирования уровня CO2 в атмосфере. Его уровень был стабилен – 0,0022% – последние 600 тысяч лет, несмотря на значительные колебания на меньших временных отрезках. По мнению учёных, секрет стабильности – взаимодействие поверхностных и геологических факторов.
Глобальное потепление земного климата из-за антропогенных выбросов углекислого газа в атмосферу вызывает много споров среди специалистов. По оценкам одних, масштабов человеческой промышленной деятельности недостаточно для того, чтобы парниковый эффект усиливался в наблюдаемых масштабах, другие готовы считать важными даже такие локальные и краткосрочные факторы, как лесные пожары и гниение биомассы в результате нашествия короедов.
Кен Кальдера из Института Карнеги в калифорнийском Стэнфорде совместно с Ричардом Зиби из Гавайского университета в Маноа впервые показали, что существуют две группы факторов, влияющих на атмосферную концентрацию углекислого газа в относительно краткосрочном периоде (тысячи лет) и долгосрочной перспективе (сотни тысяч лет). Эти две группы факторов уже не первый год поддерживают баланс углерода на поверхности Земли и спасают Землю от катастрофического парникового эффекта, миллиарды лет назад погубившего Венеру. Статья ученых опубликована в последнем выпуске Nature Geosciences.
Известно, что природными источниками углекислого газа являются вулканические процессы, выбрасывающие CO2 из слоев мантии и земной коры, удваивающие его атмосферное содержание примерно каждые 600 тысяч лет. С другой стороны, двуокись углерода выводится из циркуляции в ходе разрушений силикатных горных пород под действием выветривания и размывания атмосферными осадками. Ионы кальция и магния, высвобождаемые при разложении этих пород, соединяются с углекислотой и в итоге навсегда оседают на дно мирового океана в виде карбонатных соединений.
При этом разложение силикатов идет тем быстрее, чем больше углекислоты содержится в грунте и чем выше её температура.
Потому некоторые учёные высказали предположение, согласно которому существует баланс между выбрасываемым в атмосферу углекислым газом и его осаждением в виде карбонатов. Этот баланс поддерживается отрицательной обратной связью: чем выше концентрация СО2 в атмосфере, тем больше его содержится в поверхностном слое почвы и тем выше температура земного воздуха. Таким образом, чем больше двуокиси углерода находится на поверхности Земли и в воздухе, тем интенсивнее идет процесс разрушения силикатов и осаждения карбонатов.
Механизмы поддержания этого баланса в прошлом могли быть иными – как учитывающими влияние развитой земной биосферы, так и работавшими ещё до её появления.
Такая стройная и непротиворечивая гипотеза о глобально углеродном балансе часто становится объектом критики со стороны оппонентов. Например, некоторые ученые считают, что необходимое условие баланса процесса выброса и поглощения СО2 нарушится, если учесть постоянный подъем континентов за счет наслаивания осадочных пород. Другие видят единственным механизмом поддержания баланса атмосферного СО2 только отлаженную работу биосферы Земли – основного потребителя углекислого газа.
Сторонники гипотезы поддержания баланса выветриванием считают, что её подтверждением могли бы стать большие вариации атмосферной концентрации газа вблизи некоторого среднего значения, даже если последний и имеет какой-то тренд. Однако найти такое подтверждение до сих пор не удавалось из-за невозможности проконтролировать уровень атмосферного СО2 в масштабе миллионов лет.
Кальдеру и Зиби удалось найти такие доказательства.
Чтобы поместить масштабы долгосрочных природных потоков углерода в какие-то рамки, ученые обратились к данным о содержании углекислого газа в ледниковых массивах. На сегодняшний день они позволяют заглянуть в прошлое на глубину до 650 тысяч лет. Подобные работы уже проводились, однако имели своей целью установить корреляцию между концентрацией СО2 в атмосфере и глобальным оледенением планеты. Такая корреляция действительно была установлена: больше всего углекислого газа в атмосфере оказывается именно в межледниковье.
Главный вывод новой публикации ученых заключается в том, что хотя в масштабах тысячелетий концентрация СО2 и демонстрирует сильные вариации, её тренд в масштабе сотен тысяч лет весьма незначителен – за последние 650 тысяч лет концентрация СО2 в атмосфере Земли изменилась всего на 0,0022%. И, кстати говоря, снизилась.
Таким образом, полагают учёные, стоит выделять две группы факторов, влияющих на содержание углекислого газа в атмосфере. К первой, которую можно назвать «поверхностной», относится перераспределение углерода в различных формах между водоемами, атмосферой и биосферой. Они действительно определяют содержание CO2 в атмосфере, однако лишь в ответ на нарушение баланса между факторами второй, «геологической» группы.
Последние определяют выброс и захват СО2 в долгосрочных масштабах. С одной стороны, здесь выброс углекислого газа из мантийных слоев и хранилищ этого газа в нижних слоях земной коры в ходе преобразования горных пород и вулканизма. С другой – оседание карбонатных солей на дно океана по мере разрушения силикатных горных пород под действием факторов выветривания. Именно вторая группа определяет полное количество углерода на поверхности планеты, в то время как первая лишь перераспределяет это заданное количество между своими составляющими.
Однако между этими факторами существует и взаимодействие.
Например, периодические обледенения и потепления климата Земли, имевшие место в плейстоценовой эпохе, по мнению ученых, могут быть связаны именно с этим взаимодействием. Так, увеличение концентрации CO2 в атмосфере постепенно ускоряет размывание силикатных горных пород, приводит к росту активности биосферы (прежде всего растений), что приводит в итоге к увеличению темпов консервирования углекислого газа в виде карбонатов и осаждению его на дне океанов. Следующее за этим похолодание снижает и интенсивность осадков и сокращает объемы углекислого газа, поглощаемого растениями; затем цикл повторяется вновь.
Правда, такая слаженная работа в результате взаимодействия двух групп факторов возникает лишь на масштабах в десятки и сотни тысяч лет. Активной хозяйственной деятельности человека, способной повлиять на благополучие всей планеты, лишь несколько веков. Таких испытаний климатическая система сдержек и противовесов ещё не знала.
Учёные уверены, что система обратной связи, способная поддерживать концентрацию двуокиси углерода в атмосфере, в природе есть.
Например, около полугода назад были представлены данные, показывающие, что на долгосрочных масштабах концентрация CO2 в течение последних 600 тысяч лет оставалась на постоянном уровне с точностью около 0,002%. При этом с механизмом влияния уровня углекислого газа на климат всё вроде бы ясно: главный парниковый газ усиливает парниковый эффект, который нагревает нашу планету, повышает температуру поверхности её материков и океанов, что, в свою очередь, изменяет течение многочисленных атмосферных процессов. Например, усиливает тропические штормы.
Однако какие процессы обеспечивают собственно обратную связь? Хотя в их существовании ученые не сомневаются, о самих механизмах её известно немного. Один из них описали тайваньские и британские учёные в статье, принятой к публикации в Nature Geoscience.
Учёные показали, как тропические штормы — по крайней мере в Юго-Восточной Азии, где самые сильные из них называют тайфунами, — устраняют углерод из его извечного круговорота в атмосфере.
И чем теплее на планете, тем сильнее штормы и тем больше углерода покидает цикл.
Обычно тропические циклоны имеют небольшой (по сравнению с другими циклонами) размер, составляющий около 200-300 километров в диаметре, в то же время давление в центре циклона опускается до 0,95 (а иногда и до 0,9) атмосфер, оба эти фактора обеспечивают очень большие барические градиенты. Ветры достигают силы шторма и урагана. Сила Кориолиса (отклоняющая сила вращения Земли) является причиной возникновения вращения циклона, следовательно ветры в тропических циклонах северного полушария дуют против часовой стрелки, а южного полушария — по часовой стрелке.
Скорость ветра в спиральных завихрениях воздуха достигает 240-320 км/ч. В штилевом центре, «глазе» циклона находится тёплый воздух, который опускается к поверхности земли (или воды). Размеры такого глаза в поперечнике могут быть от 6,5 до 48 км. Наличие в центре тёплого воздуха способствует понижению атмосферного давления у поверхности. Тёплый влажный воздух закручивается спиралью вокруг «глаза». Конденсация вызывает образование кучево-дождевых облаков, сопровождаемое выделением тепла, что в свою очередь усиливает спиральное восхождение воздуха вокруг центра циклона.
В нижних слоях воздушные массы втекают внутрь циклона, в высоких слоях эта конвергенция (сходимость) поля ветра перекрывается ещё более сильной дивергенцией (расходимостью). Это приводит к сильному восходящему движению воздуха во всей области циклона и к развитию мощной облачной системы с обильными ливневыми осадками и грозами.
От мощных облаков свободна только небольшая (диаметром от 8 километров) внутренняя часть циклона, называемая глаз бури или глаз тайфуна.
Тропические циклоны возникают главным образом во внутритропической зоне над перегретыми океаническими площадями. При этом такая зона должна находиться не менее чем в 5° от экватора (в подавляющем большинстве случаев не менее чем в 10° от экватора), чтобы отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) была достаточно велика.
Сформировавшиеся тропические циклоны движутся вместе с воздушными массами с востока на запад, при этом постепенно отклоняясь к высоким широтам.
Основной источник энергии тропических циклонов — выделение тепла при конденсации водяного пара в восходящем воздушном потоке, этим так же объясняется то что попадая на сушу, они быстро затухают. Часть тропических циклонов выходит за пределы тропиков, поворачивая при этом к востоку и их свойства в дальнейшем приближаются к свойствам внетропических циклонов.
Ураганная активность в Атлантике обычно наблюдается с начала июня по конец ноября, время существования тропических циклонов может достигать трех недель. По подсчётам метеорологов, в районе Атлантики в среднем за сезон образуется 10 тропических штормов, из них 6 превращаются в ураганы, а два — в сильные ураганы.
Почти все тайфуны формируются в области до 30° от экватора, причем 87% всех тайфунов формируются в области до 20° от него. Так как вращение тропических циклонов инициируется и поддерживается за счет силы Кориолиса, то циклоны почти никогда не возникают и не перемещаются в области 10° от экватора, где сила Кориолиса слаба. Возникновение тропических циклонов в этой области возможно только если имеются другие факторы вызывающие вращение, однако такие условия очень редки и вероятность возникновения тропического циклона в этих широтах оценивается как менее чем один циклон в течение века.
Здесь-то Роберт Хилтон из Кембриджского университета и нащупал ключевые и в общем нехитрые узлы механизма, приводящего движение силы природы, направленные на восстановление равновесия. Известно, что режим рек сильно зависит от климатических условий, контролирующих осадки, а климат, как мы уже убедились, определяется атмосферной концентрацией парниковых газов.
В принципе, взаимосвязь «углекислый газ — климатические условия — режим рек — вынос углерода в океан» достаточно очевидна, однако Хилтон и его коллеги оказались первыми, кому удалось продемонстрировать её экспериментально.
В качестве объекта исследования ученые выбрали реку Лиу, протекающую в одном из национальных парков на Тайване. Её бассейн, густо покрытый лесными массивами, имеет площадь почти 450 квадратных километров. Выбор был обусловлен тем, что более трети всего органически связанного углерода выносится в океан именно реками западной части тихоокеанского региона, берущими свое начало высоко в горах. Этот же регион регулярно страдает от сильных тропических циклонов, перерастающих в тайфуны и ураганы.
Исследования последних лет показали, что сила этих ураганов с увеличением температуры климата Земли будет неизбежно возрастать, а потому и влияние на растительность и транспорт почв будет меняться.
Чтобы оценить это влияние и его динамику количественно, Хилтон и его команда изучили количество частиц углерода органического происхождения, взвешенных в речных водах в обычное время и во время наводнений, вызванных тайфунами. При этом ученые старались оценить количество углерода, непосредственно вовлеченного в жизнь биосферы, так как воды Лиу содержат и частички каменного угля.
Отделить их вклад от вклада свежего углерода органического происхождения позволила радиоуглеродная датировка.
Таким образом учёные скорректировали данные тридцатилетних наблюдений за стоком реки, осуществлявшиеся сотрудниками станции Центрального бюро погодных наблюдений Тайваня. После этого ученые без труда смогли установить корреляцию между разливами реки и содержанием в её мутной воде частиц углерода, привнесенного растениями и почвами.
По оценкам ученых, от 80% до 90% всего углерода органического происхождения, уносимого Лиу в океан, выносится именно в сезон наводнений, вызванных тропическими штормами. И в каждом новом урагане можно теперь видеть не только угрозу населению, но и прекрасно работающий механизм контроля уровня углекислого газа в атмосфере.
