В последние годы довольно много пишут и говорят о том, что сложившийся на нашей планете за миллионы лет устойчивый природный круговорот углерода резко нарушен в связи с активной промышленной деятельностью человека. Количество углекислого газа в атмосфере резко возрастает. Отсюда появились опасения, что климат Земли существенно изменится, а это потянет за собой целый ряд глобальных и порой вовсе не желательных перемен на планете. Можно ли сейчас сделать по этому поводу, какие-то прогнозы!
Об этом рассказывается в публикуемой ниже статье, более полный вариант которой появится в ближайшем, 14-м выпуске альманаха «На суше и на море»
Современный климат Земли находится в неустойчивом состоянии, подобно игральной кости, упавшей на ребро и не знающей, на, какую грань лечь. Этих граней - вариантов устойчивого климата - две или гигантское всемирное оледенение, или теплые условия третичного периода, когда широколиственная лесная флора покрывала арктические острова. Такое потепление, по словам видного советского климатолога М. И. Будыко, может произойти «с громадной скоростью» - примерно в сто тысяч раз быстрее, чем похолодание.
Для этого нужен лишь незначительный толчок. Если поступление солнечного тепла возрастет всего только на 1%, средняя температура воздуха у земной поверхности поднимется на 1 - 2°С. Казалось бы почти неощутимое изменение. Однако оно способно мало-помалу привести к исчезновению многолетних льдов в Северном Ледовитом океане. Если же температура воздуха повысится на 3 - 4°, таяние льдов произойдет на наших глазах. По расчетам М. И. Будыко, морские льды четырехметровой толщины растают за четыре года, если температура воздуха только трех летних месяцев будет над Северным Ледовитым океаном на 4° выше обычной. •К чему все это может привести?
Льды отражают солнечные лучи приблизительно в восемь раз лучше, чем вода. Значит, с исчезновением льдов резко увеличится поглощение солнечных лучей поверхностью планеты, что приведет к коренным изменениям климата. Температура воздуха на Северном полюсе повысится, как полагает М. И. Будыко, в теплое полугодие на 8, а в холодное на 22°, и будет ровна летом 45°, а зимой - 5°.
Откуда же может взяться тепловая энергия, достаточная для таяния льдов? Земля не только поглощает солнечное тепло, но и излучает собственное, как и каждое нагретое тело. Причем она излучает тепла не меньше, а даже немного больше, чем получает от Солнца, - часть тепла приходит из недр Земли. Если, какая-то планета поглощает тепла больше, чем излучает, то она должна все сильнее и сильнее разогреваться. Уменьшение излучаемого планетой тепла имеет для климата такое же значение, как и увеличение поглощаемого ею. Поглощаемая и излучаемая радиации равны по величине, но весьма различны по составу электромагнитных волн. Это зависит от температуры излучающего тела. Чем температура выше, тем короче волны, из которых состоит излучение.
Температура поверхности Солнца около 6 000 С, длина волн солнечной радиации на 99% находится в диапазоне 0,17 - 4 микрона. Максимум солнечного излучения приходится на видимую часть спектра - свет (0,35 - 0,75 микрона). Температура Земли меняется в основном в пределах от + 40 до - 40°, а максимум излучения падает на волны длиной от 9 до 12 микрометров.
Молекулы некоторых веществ обладают способностью пропускать коротковолновые лучи и поглощать длинноволновые. Таким свойством, получившим название тепличный (или парниковый) эффект, обладают трехатомные молекулы водяного пара, углекислого газа и кремнезема, из которого делают стекло.
По данным некоторых исследователей, в результате парникового эффекта в атмосфере задерживается 78% земного излучения. При этом водяной пар задерживает 60%, а углекислый газ 18% теплового излучения Земли. Средняя годовая температура Земли, если бы из атмосферы исчез углекислый газ, понизилась бы на 21° С, а если бы удвоилось его содержание - повысилась на 4° С. Поэтому, говоря о климате, очень важно знать пути поступления и ухода из атмосферы углекислого газа. Его в атмосфере Земли сравнительно немного - всего 0,03% объема. Но это составляет около 2,3-10 12 тонн. Цифра весьма ^внушительная. В результате человеческой деятельности в атмосферу в виде СО2 поступает углерод, с развитием промышленности, это поступление растет. Полагают, что к 2000 году ежегодные выбросы в атмосферу углекислого газа увеличатся в пять раз. Отсюда и прогнозы о потеплении климата Земли.
Некоторые зарубежные ученые говорили даже о том, что уже в начале 70-х годов нашего века так потеплеет, что начнется переселение в Европу африканских животных. Однако этого, как мы теперь видим, не случилось. Интересно и другое. Ежегодное поступление углекислого газа, судя по количеству сжигаемого топлива, должно быть чуть ли не в четыре раза больше, чем его прибавляется в атмосфере, по данным измерений. Куда же девается большая часть углекислого газа?
Ученые давно уже пришли к выводу, что основным регулятором концентрации атмосферной углекислоты служит океан. В нем содержится углекислого газа примерно в 100 раз больше, чем в атмосфере. Дело в том, что растворимость СО2 в воде во много раз выше, чем других газов атмосферы, в том числе кислорода и азота. Растворение газов в жидкости - процесс обратимый. Поглощенные водой молекулы газа находятся в непрерывном тепловом движении; их кинетическая энергия тем выше, чем выше температура воды. Энергия некоторых молекул растворенного газа столь велика, что им удается «вырваться» из раствора и они снова переходят в воздух. Устанавливается динамическое равновесие между поступлением газа из воздуха в раствор и из раствора в воздух, при этом концентрация растворенного газа прямо пропорциональна концентрации его в воздухе (точнее, давлению, поскольку каждый газ ведет себя так, словно образует независимую атмосферу). Это правило растворимости, пропорциональной давлению, называется законом Генри.
Растворимость газов зависит и от температуры воды. Небольшие изменения средней температуры воды в океане - на 2 - 5° - мало влияют на растворимость га зов, но они могут дать начальный толчок к изменению климата Земли. При составлении точных математических моделей температурная поправка к закону Генри учитывается.
Если концентрация в атмосфере (и, значит, давление) какого-то газа, например, углекислого, окажется выше величины, определяемой законом Генри, то океан поглотит большую часть этого избытка. Если же, наоборот, содержание газа в атмосфере понизится, то из океана поступит определенная порция этого газа.
Часть молекул углекислого газа успевает вступить в химическую реакцию с водой, образуя угольную кислоту. Кислота остается в растворе и сама претерпевает дальнейшие химические изменения. Вот поэтому-то растворимость углекислого газа намного больше, чем азота и кислорода, а также благородных газов, которые химически не взаимодействуют с водой. При 0° С литр морской воды может поглотить из атмосферы 50 см3 углекислого газа, а кислорода-только 8 см3, несмотря на то, что в атмосфере давление углекислого газа всего 0,23 мм, а кислорода - 158,8 мм ртутного столба.
В действительности способность океана поглощать из атмосферы избыточную углекислоту еще выше. Океан можно сравнить с бассейном, который имеет входы и выходы. Этот бассейн соединен с атмосферным резервуаром углекислоты по принципу сообщающихся сосудов. Через один из входов в бассейн происходит обмен углекислым газом между океаном и атмосферой, причем преимущественно поступление его в океан, а через другой - обмен (преимущественно отвод) благодаря химическим и биохимическим реакциям в океане. Химический канал транспортировки углекислого газа представляет собой систему последовательных, обратимых (как и процесс растворения) реакций, включающих распад угольной кислоты на ионы водорода и бикарбонат-ионы (НСО3~), а последних - снова на ионы водорода и карбонат-ионы (СО32-). Ионы СО32связываются ионами кальция в нерастворимый СаСо3, оседающий на дно океана и образующий известковые породы. Благодаря этому процессу на протяжении миллионов лет идет перекачивание СО2 из атмосферы в океан, а из океана - в донные отложения, известняк. За историю Земли его отложилось в десять тысяч раз больше, чем его сейчас в атмосфере. Такое же направление потока и биологического канала транспортировки СО2. Фотосинтезирующие организмы потребляют углекислоту, создавая органическое вещество, которое включается через пищевые блоки в биомассу всех организмов океана. Отмершие организмы, или, как их называют океанологи, детрит, оседают на дно океана, превращаясь со временем в ископаемый уголь и нефть. Количество углекислого газа, погребенного вместе с этими ископаемыми, в тысячу раз больше, чем сейчас содержится в атмосфере, из которой он в конечном счете образовался.
Интенсивность биологического потока, выводящего углекислый газ из атмосферы и в значительной степени из круговорота в природе вообще, очень велика за 300 - 400 лет (ничтожный срок в геологических масштабах!) организмы потребляют такое же количество углекислоты, какое содержится во всей атмосфере.
Оба потока, регулирующих концентрацию СО2, составляют равновесную систему и состоят из последовательных звеньев, содержащих различные химические формы углерода. Нельзя изменить концентрацию углерода ни в одном звене без того, чтобы не вызвать ее изменений во всех остальных звеньях, что приводит к новому состоянию равновесия.
Проследим за этой взаимосвязью в биологическом потоке. Если концентрация СО2 в атмосфере повысится, значительная часть углекислого газа поглотится по закону Генри морской водой. Но из-за того, что повысится концентрация углекислого газа в морской воде, возрастет его потребление организмами, а так, как должно соблюдаться равновесное соотношение СО2 в океане и атмосфере, то океан поглотит дополнительное количество углекислого газа и т. д. Эта волна интенсификации потока пройдет до самого конца цепочки - до увеличения количества отмерших организмов (детрита), попадающих за год на дно океана равновесная система реагирует на внешнее изменение так, чтобы ослабить проявление этого изменения.
Недавно ученые довольно точно вычислили скорость обмена углекислым газом между атмосферой и поверхностным слоем океана. Оказалось, что за год около ста миллиардов тонн атмосферного СО2 растворяется в море - это в десять раз больше, чем образуется углекислоты при сжигании всех видов топлива. Но поступление газа из верхнего в глубинные слои воды происходит медленно. Поэтому способность океана своевременно регулировать концентрацию углекислого газа в атмосфере не беспредельна, она определяется наиболее медленным процессом - погружением и перемешиванием океанских вод.
Означает ли все это, что климат нашей планеты обязательно изменится при достаточно большом поступлении СО2 в атмосферу? Пример с прогнозом переселения африканских животных в Европу свидетельствует о том, как неосторожно делать, какие-либо предсказания на основании лишь одного фактора. Деятельность человека вызывает многосторонние изменения в природных условиях. Некоторые из них «работают» на потепление климата, другие, наоборот, - на похолодание. Например, сжигание топлива вызывает не только образование углекислого газа, но, и запыление атмосферы. А это препятствует проникновению солнечной радиации к поверхности Земли.
Способность океана регулировать количество углекислого газа в атмосфере хоть и велика, но, как мы видели, имеет определенные пределы. Поэтому, решая проблемы сохранения существующего равновесия в природе, надо всесторонне учитывать роль океана в парниковом эффекте атмосферы.
