ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ: МИФЫ И РЕАЛИИ / Евгений Гришанин

Киотский протокол, призванный сплотить борцов с парниковым эффектом, лишен каких-либо научных обоснований, но его ритуальное обсуждение и пропаганда продолжаются по сей день. Тем не менее он высветил настоятельную необходимость для мирового сообщества сбалансированного использования атмосферного кислорода — окислителя органического горючего, о чем, пожалуй, впервые весьма аргументированно сказано в статье Виталия Болдырева «Атмосферным кислородом по глобализации и кредиторам» (см. «ПВ» № 5—6, март, 2001 г.). Ограниченность природных запасов органического горючего и необходимость сбалансированного использования атмосферы в огневой электроэнергетике делают на сегодня безальтернативным для человечества развитие атомной энергетики. Публикуемой ниже статьей редакция продолжает тему парникового эффекта, псевдонаучное толкование причин которого провоцирует ратификацию Киотского протокола, что может нанести ущерб экономике многих стран, в том числе и России.

Рассуждения о вреде парникового эффекта для климата Земли стали настолько расхожими, что об этом говорят все кому не лень. Между тем научные данные по динамике изменения углекислоты в атмосфере и парниковому эффекту, собранные воедино, показывают совсем другую картину мира.

МИФ ПЕРВЫЙ: ОПАСНОСТЬ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА Общепринятые оценки метеорологов показывают, что повышение содержания углекислого газа в атмосфере приведет к повышению температуры практически только в высоких широтах, особенно в Северном полушарии, где “совсем недавно” было гигантское оледенение. Причем в основном это потепление произойдет зимой. По оценке специалистов Института сельхозметеорологии Роскомгидромета (см. «ПВ» №14, июль 2001 г.), повышение концентрации СО2 в два раза приведет к удвоению хозяйственно полезной площади России — с 5 до 11 млн. км2. По хозяйственно полезной площади Россия занимает сейчас скромное пятое место в мире после Бразилии, США, Австралии и Китая. Наибольший эффект от потепления будет иметь Россия, в которой западная граница проходит примерно по январской изотерме 00С. Отечественные “зеленые” механически повторяют про опасность потепления, не осознавая, что живут в холодной стране. При ожидаемом потеплении в большинстве районов России климат станет очень благоприятным, близким к субтропическому. Нечерноземная малопродуктивная зона центральной России станет плодоносной, продолжительность сельскохозяйственного года в ней утроится, Кубань превратится в саванну, в Сибири морозы прекратятся, и там будут выращивать хлопок, а Северный морской путь освободится ото льда и станет самым экономичным морским путем между Европой и Дальним Востоком.

Важно, что потепление за счет повышения температуры будет происходить в основном зимой. Лето в России практически останется таким же относительно нежарким. Причем это изменение климата произойдет за несколько лет вслед за повышением концентрации СО2, так как материковых льдов давно нет, а время нагрева атмосферы не превышает двух месяцев. Одним словом, фантастика! На климате низких широт удвоение концентрации СО2 практически не скажется, разве только северный ветер зимой не будет там столь холодным, как сейчас. Данные палеоклиматологии вполне подтверждают изложенные прогнозы. До наступления последней ледниковой эпохи средняя температура Земли была на 5-60С выше, и в районе Якутска росли леса грецкого ореха.

МИФ ВТОРОЙ: УГРОЗА ПОТОПА В разных источниках указываются различные значения повышения уровня Мирового океана — в пределах до 0,2-1,4 метра. Доверчивые журналисты при этом восклицают: Всемирный Потоп! Однако почти все ледники в Северном полушарии уже растаяли 9000 лет назад. Осталась только Гренландия. Льды же Северного Ледовитого океана при таянии не повысят уровень Мирового океана даже на

1 мм согласно всем известному из школьной физики закону Архимеда. Гренландский ледник не растает по той же причине, что и Антарктический. Дело в том, что оледенение имеет место при температуре ниже нуля, а температура в Антарктиде в зависимости от сезона равна 30-900С ниже нуля. При ожидаемом потеплении условия сохранения Антарктического ледника практически не изменятся. Скорее всего из-за увеличения испарения количество влаги, поступающей в Антарктиду, возрастет, из-за этого ледник может существенно увеличится и соответственно возрастет сход айсбергов. Гренландия — это маленькая Антарктида. При ожидаемом в XXI веке повышении температуры в высоких широтах на 40С температура на ледниках Гренландии сохранится существенно ниже нуля, и из-за увеличения циркуляции влаги в атмосфере выпадение снега в Гренландии и частота схода там айсбергов увеличится. Данные палеоклиматологии подтверждает эти прогнозы. Гренландский и Антарктический ледники существуют многие десятки миллионов лет и пережили периоды несравненно более сильного потепления, чем это ожидается. Поэтому никакого существенного повышения уровня Мирового океана не следует ожидать ни в XXI веке, ни в более отдаленные времена.

МИФ ТРЕТИЙ: ВРЕДНОСТЬ СО2
Столько поднято шума в связи с увеличением содержания СО2 в атмосфере, что в сознании широких масс, наверное, создалось мнение о его вредности. Однако это не так. При концентрации углекислого газа ниже 1% он не оказывает вредного влияния на животных. Более того, слишком малое содержание СО2 в воздухе для некоторых людей является причиной астматических болезней. Их недаром лечат по методу доктора Бутейко задержкой дыхания. Ведь присутствие СО2 совершенно необходимо для эффективного дыхания. По-видимому, это результат (точнее, пережиток) эволюции. Ведь животный мир возник при весьма высокой концентрации углекислого газа. Еще 600 млн. лет назад, когда животный мир начал трансформироваться в современные виды, концентрация кислорода в воздухе составляла всего 2%. Предки приматов возникли примерно 20 миллионов лет назад, когда концентрация СО2 была втрое выше, т.е. 0,1%. Для растений углекислота является самым необходимым жизненным веществом, так как другой возможности усвоения растениями углерода в природе не существует. Поэтому СО2 ни в коем случае нельзя считать вредным веществом для здоровья животных и тем более растений. Экспериментально показано, что с повышением концентрации в воздухе углекислого газа урожайность всех культурных растений возрастает. По мнению некоторых врачей, человеку полезнее высокогорный воздух, где абсолютная концентрация кислорода вдвое меньше. В обыденном сознании сформировано мнение, что леса являются “легкими планеты”. Но леса и растительность вообще поглощают в основном СО2. Очищать воздух от углекислого газа бессмысленно, так как его там уже практически нет: осталось всего 0,035%. Таким образом, и в этом смысле обыденное сознание также отягощено мифами.

СО2 И ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ По оценкам ученых, без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы на 300С ниже нуля и никакой жизни на ней скорее всего не было бы. Именно парниковый эффект, являясь природным одеялом, создает благоприятные условия жизни на Земле. Парниковый эффект, то есть степень поглощения инфракрасного излучения земной поверхности, обусловлен наличием многоатомных газов (СО2, пары Н2O, СН4), непрозрачных для теплового излучения. В наше время парниковый эффект в среднем на 78% порожден парами воды и только на 22% углекислым газом при их объемном соотношении 1:10. Вкладом других газов вполне можно пренебречь. Влияние парникового эффекта на климат в зависимости от концентрации СО2 хорошо известно метеорологам. Он в основном повышает температуру зимой в высоких широтах и практически не влияет на температурный режим низких широт. Это объясняется следующим. Вышеупомянутое соотношение вкладов водяного пара и СО2 в парниковый эффект наблюдается только в среднем за год. В высоких широтах при снижении зимой температуры концентрация водяного пара в атмосфере резко снижается, так как он конденсируется и выпадает в виде дождя. В результате парниковый эффект резко снижается и температура атмосферы уменьшается. Кибернетики сказали бы, что имеет место сильная обратная связь. При дальнейшем снижении температуры водяной пар вымораживается из атмосферы, на землю выпадает снег и резко увеличивается отражение лучистой энергии, поступающей от солнца. Физики и метеорологи сказали бы, что увеличивается альбедо (доля отраженной лучистой энергии) Земли. Это вторая сильная обратная связь. А вот концентрация СО2 в атмосфере не зависит от этих факторов. Именно парниковый эффект от СО2 сохраняет тепло в атмосфере при вымораживании из нее водяного пара. Увеличение концентрации СО2 приведет к тому, что снижение температуры и вымораживание водяного пара, а также выпадение снега и увеличения альбедо будут проходить в существенно меньшей степени. Итак, наличие СО2 в атмосфере играет важную роль для улучшения климата, прежде всего в зимнее время. Но наличие СО2 в атмосфере еще важнее для стабилизации климата при воздействии случайных факторов, приводящих к временному похолоданию, которые в отсутствие СО2 могли бы вызывать оледенение. Очень показательно сравнение климата, например, на Марсе и Венере. Уровень температуры на Марсе таков, что там не только вода, но и СО2 вымораживаются из атмосферы настолько, что давление марсианской атмосферы, состоящей в основном из СО2, составляет всего 0,6% земной. Поэтому на Марсе наблюдаются водяные и углекислотные льды. На Венере, получающей в два раза больше тепла от Солнца, атмосфера также состоит в основном из СО2 и имеет давление 90 атмосфер. Из-за мощного парникового эффекта температура поверхности на Венере достигает 5000С. Парниковый эффект и оледенение, по имеющимся научным данным, взаимно связаны. На рисунке приведены кривые изменения концентрации СО2 в атмосфере и температуры за последние 160 000 лет. Эти данные получены анализом состава воздушных пузырьков в толще ледников Антарктиды. На кривых хорошо видно почти полное совпадение максимумов концентрации СО2 и температуры, что объясняется малой тепловой инерцией атмосферы в отсутствие материковых льдов. Следует отметить, что максимумы температуры и содержания СО2 совпадали и похоже способствовали появлению неандертальцев 100 000 лет назад и сельскохозяйственной революции примерно 5000 лет назад. Максимум последнего оледенения был 20 000 лет назад. Он соответствовал концентрации СО2 в атмосфере, равной всего 0,02%, что почти в два раза меньше, чем сейчас. Тогда ледники занимали всю территорию Канады, значительную территорию США и всю Северную Европу, включая Берлин, Москву, Киев и Санкт-Петербург. Общая площадь материковых ледников в Северном полушарии тогда составляла 23 млн. км2, толщина слоя льда — 1,5 км, объем материковых льдов превышал 37 млн. км3. Ледниковая эпоха характеризуется крайне неустойчивым климатом. Небольшое случайное похолодание приводит из-за сильных обратных связей к росту ледников, а потепление — к их быстрому таянию. Поэтому ледниковая эпоха характерна быстрыми колебаниями температуры с периодом порядка 10 000 лет. Именно быстрое возрастание концентрации СО2 привело за 9000 лет к почти полному таянию этих ледников. Остались лишь ледники в Гренландии и Антарктиде, консервация которых обусловлена близостью к полюсу, водным окружением и замкнутой циркуляцией холодных течений. При изменении концентрации СО2 потепление может быть очень быстрым, если нет материковых льдов, так как нагрев атмосферы ввиду ее тепловой инерции составляет около двух месяцев. Но для таяния льдов необходимо больше времени, так как это требует много тепла. На таяние материковых ледников не повлиял антропогенный фактор.

В сознании широкой общественности потепление почти всегда соединяется с повышением температуры летом и засухой. Однако это не так в случае увеличения концентрации СО2. Количество влаги, поступающей на сушу, зависит в первую очередь от интенсивности испарения водной поверхности. При потеплении количество образующегося пара увеличится, во-первых, за счет увеличения площади испарения на освободившейся от океанских и морских льдов территории в высоких и средних широтах и, во-вторых, за счет повышения средней температуры. Таяние высокогорных ледников не грозит обмелением рек, так как количество влаги в горах не уменьшится. И лишь изменится сезонное распределение поступления воды в горные реки. Эти теоретические рассуждения вполне подтверждаются данными палеоклиматологии. А вот каждое оледенение сопровождалось засухой, так как накопление на суше материковых льдов приводило к сокращению площади Мирового океана на 30% и одновременно снижалась температура атмосферы и водяной поверхности.

УГЛЕКИСЛОТА В ОБОЛОЧКАХ ЗЕМЛИ В океане СО2 содержится в растворенном виде, в виде угольной кислоты и ионов различных углекислотных солей, и его в 60 раз больше, чем в атмосфере. При повышении концентрации СО2 в атмосфере большая его часть поглащается океаном. Правда, перемешивание океанской воды может длиться от 200 до 2000 лет. Океан, следовательно, является гигантским аккумулятором, буфером и регулятором концентрации углекислоты в атмосфере. Именно поэтому изменения концентрации СО2 в атмосфере будут происходить во много раз медленнее, даже несмотря на рост антропогенных выбросов. В каменноугольных, сланцевых и иных углеродосодержащих месторождениях углекислоты содержится в 300 раз больше по сравнению с атмосферой. Если ее освободить из этих месторождений, то концентрация СО2 в атмосфере увеличится с 0,035 до 9%. Такая концентрация наблюдалась в карбоне — каменноугольном геологическом периоде, когда на Земле буйствовала растительность, был теплый устойчивый климат и процветали динозавры. Буйная растительность была порождением высокой концентрации углекислоты, которая является главной, ничем не заменимой пищей для фотосинтеза, а также следствием высокой температуры и влажности. Реальная причина вымирания динозавров — похолодание в связи с наступлением ледникового периода, угнетением растительности и недостатком пищи. Они вымирали в течение нескольких миллионов лет: одни виды раньше, другие позже.

Основная масса СО2 находится в карбонатных породах, причем в основном на дне океанов. Материковые карбонатные породы сформировались, когда эти участки суши были дном морей и океанов. Содержание углекислоты в оболочках Земли приведено в таблице.

Из таблицы видно, что в атмосфере остались, по существу, жалкие остатки СО2. А ведь жизнь растений целиком зависит от фотосинтеза, который без СО2 невозможен. Если освободить всю углекислоту, захороненную в карбонатных отложениях на дне океанов и континентов, то ее содержание а атмосфере повысится в 130 000 раз и парциальное давление углекислого газа станет равным 40 атмосферам, т.е. атмосфера станет, по существу, углекислотной, почти такой же, как на Венере, где давление равно 90 атмосфер, а температура близка к 50000С. Как же почти весь СО2 оказался захороненным на дне океанов? Согласно современным научным предствлениям, первичная атмосфера образовалась в результате разделения по плотности земных пород. Она состояла в основном из СО2, метана, аммика, сероводорода. Изъятие углекислоты из первичной атмосферы Земли происходило благодаря фотосинтезу в первых живых организмах на Земле. Само зарождение жизни, по мнению ученых, было возможно только в атмосфере без кислорода и сначала только в океане. Первичный океан был сначала настоящей «газировкой». Первые сине-зеленые одноклеточные водоросли возникли не менее 3 миллиардов лет назад. Именно они за счет фотосинтеза произвели первый кислород и тем создали условия для жизни животных, энергетическим источником которой является процесс окисления. Первые животные, появившиеся сначала в океане, строили скелеты из известняка СаСО3 и магнезиата (доломита) МgСО3. Их скелеты и раковины в гигантских масштабах откладывались на дне океанов и морей, и эти отложения можно видеть сейчас в виде месторождений мрамора, меловых гор, известняка. А углекислота была почти начисто извлечена как из атмосферы, так и из воды океана. Кстати, некоторые ученые называют результаты этого процесса первой экологической катастрофой для первых обитателей Земли. Ведь интенсивность фотосинтеза пропорциональна концентрации СО2 в атмосфере и океане. Когда растительность распространилась и на суше, создались условия для начала каменноугольного периода — эпохи карбона. Однако в образовавшиеся каменноугольные, нефтяные и газовые месторождения попала тогда меньшая часть углекислоты, так как для их возникновения на суше требовались специфические условия, а именно болота, покрытые минеральными осадками. В противном случае органика сгнивает и СО2 возвращается в атмосферу. Иное дело океанские отложения из СаСО3 и МgСО3. Они хоронились навсегда, и возвратить их в природный оборот не может даже человечество, как оно делает с СО2 при сжигании каменного угля, нефти и газа.

В нашу геологическую эпоху в атмосфере остались буквально жалкие остатки прежнего количества СО2. Чтобы извлечь необходимую для жизни углекислоту, растениям приходится в наше время прокачивать через себя громадное количество воздуха, так как в нем содержится ничтожно мало СО2 — всего 0,035%. Но даже при низкой в нынешнюю геологическую эпоху интенсивностью фотосинтеза на суше и в океане можно за несколько лет выбрать и эти жалкие остатки. Среднее время обращения СО2 в сегодняшней атмосфере составляет всего пять лет. Почему же углекислота в атмосфере не исчезает? Ее поступление слагается из гниения и сжигания растительности, извержения вулканов и сжигания человеком каменного угля, нефти и газа, накопленных в недрах Земли. Откуда же появляется СО2 в вулканах?

ТОПКА В ПРЕИСПОДНЕЙ В геологии утвердилась те-ория движения океанских плит, которая также хорошо объясняет и движение континентов. Сущность этой теории состоит в том, что тепло, выделяющееся в недрах Земли за счет радиоактивного распада долгоживущих ядер и физико-химических процессов, не может быть отведено только за счет теплопроводности из-за больших размеров планеты. Поэтому тепло отводится за счет очень медленной циркуляции относительно пластичных пород в недрах Земли. Этот процесс хорошо известен в быту, например, таким путем отводится тепло кипящей водой в чайнике. Именно этот конвективный процесс обусловливает движение плит земной коры, при котором смещающаяся плита задвигается под соседнюю плиту. Этот процесс геологи называют субдукцией. Типичными местами субдукции океанских плит являются островные дуги Японии, Камчатки, острова Океании, Кордильеры в Южной и Северной Америке. За время движения океанских плит на них образуется слой осадков в основном из СаСО3 и МgСО3, т.е. из скелетов мелких и крупных морских животных, в том числе кораллов. Этот слой имеет максимальную толщину в местах субдукции. Когда такой слой толщиной 1-2 км попадает на большие глубины мантии, он нагревается до высокой температуры и происходит разложение СаСО3 и МgСО3 с образованием углекислого газа, а также водяного пара, молекулы которого содержатся в кристаллических породах. Выделяющиеся в недрах СО2 и пар резко повышают подземное давление, что и приводит к образованию вулканов, извергающих в больших количествах СО2 и пар. Таким образом, в атмосферу возвращается углекислота, казалось бы, навечно погребенная на дне океана. Эти процессы будут действовать до тех пор, пока выделяется тепло в недрах Земли. Если Земля остынет настолько, что движение плит прекратится, то жизнь на Земле также быстро, буквально за несколько сотен лет, исчезнет. По данным геологической науки, вулканы в наше время выбрасывают несколько миллиардов тонн СО2 в год. Можно оценить количество углекислого газа, выброшенного вулканами в прошлом, следующим образом. По данным геологии, за последние 10 миллионов лет 5% поверхности нашей планеты за счет движения плит было задвинуто под соседние плиты. Принимая максимальную толщину отложений в океанских плитах, равную 1-2 км, получим, что в среднем за год в течение этих 10 миллионов лет выбрасывалось всего по 2,5-5 миллиардов тонн СО2. Увеличение количества СО2, выбрасываемого сейчас вулканами, произошло из-за того, что толщина слоя карбонатных пород на конце океанских плит стала больше или возросла скорость движения плит. Это означает, что наступает конец большой ледниковой эпохи. Поэтому никакие ограничения выброса СО2 не дадут существенного эффекта и потепление на Земле, слава Богу, неизбежно! Захоронение СО2 на дне океана в карбонатных породах происходит на многие десятки и сотни миллионов лет. Плиты наибольшего размера до места субдукции старой коры со слоем отложений максимальной толщины движутся 200-300 миллионов лет. Если жизнь в океане процветает, то скорость накопления отложений на дне океана будет велика. Когда этот слой через 200 миллионов лет будет подныривать под другую плиту, вулканы будут выбрасывать соответственно большее количество СО2. Однако жизнь расцветает по своим закономерностям и, в частности, стремится к максимальному размножению. Следовательно, увеличившаяся растительность может съесть всю углекислоту за относительно короткое время. Тогда количество отложений в океане уменьшается, и через 200-300 миллиона лет вулканы начинают выбрасывать соответственно меньшее количество СО2. В результате наступает похолодание и возникают ледники. Таким образом, жизнь на Земле, прежде всего в океане, сама по себе является причиной оледенения, возникающего с периодом порядка 200-300 миллионов лет. Именно такую периодичность давно заметили геологи. Кстати отметим, что перед каждым потеплением усиливается вулканическая деятельность. Самое древнее оледенение было 2,6 миллиарда лет тому назад. Оно произошло через 300 миллионов лет после возникновения жизни на Земле в виде сине-зеленых водорослей. Оледенение развивалось в низких широтах на первом большом континенте, которому дали название Монгея. По нашему мнению, главной причиной монгейского оледенения явилось уменьшение концентрации СО2 в атмосфере из-за жизнедеятельности первых растений. Последующие оледенения происходили только в высоких широтах. Человечество живет в ледниковую геологическую эпоху, которая началась примерно 3 миллиона лет назад. В ледниковую эпоху климат становится весьма неустойчивым, благодаря действию упомянутых выше сильных обратных связей. Именно этот период характерен быстрыми колебаниями температуры и площади оледенения. В периоды потепления растительность буквально пожирает СО2, парниковый эффект резко уменьшается и наступает оледенение. Затем растительность угнетается, и концентрация СО2 восстанавливается за счет постоянного действия вулканов. Жизнь снова расцветает. Период этих колебаний составляет порядка 10 000-100 000 лет (см. рис.). Эти короткие периодичные автоколебания возникают только во время большого оледенения. Итак, причиной периодического оледенения является сама жизнь в океане и на суше. Длительные ледниковые геологические эпохи возникают с периодом порядка 200-300 миллионов лет вследствие движения океанских плит и отложения продуктов жизнедеятельности в океане в виде карбонатных пород. Короткие периодичные автоколебания климата внутри ледниковой эпохи с периодом порядка 10 000-100 000 лет возникают вследствие сильных обратных связей в результате поглощения СО2 из атмосферы растениями. В принципе возможно новое большое оледенение на Земле, а в далеком будущем неизбежно полное оледенение Земли после прекращения движения океанских плит. Изложенные выше соображения относительно накопления в атмосфере СО2, возникновения парникового эффекта и потепления приводят к иному, более сложному взгляду на эту проблему. По существу, не климат, а судьба жизни на Земле целиком зависит от того, останется, некоторое количество углекислоты в атмосфере или исчезнет, и жизнь на Земле тогда прекратится. Парадоксально, но именно человечество может на некоторое время продлить жизнь на Земле, вернув в оборот хотя бы небольшую часть запасов СО2 из каменноугольных, газовых и нефтяных месторождений. Однако следует помнить, что возможно наступление очередного похолодания и восстановление материковых ледников в Европе и Северной Америке на многие тысячелетия! Это неизмеримо опаснее любого непредусмотренного последствия потепления.

Естественно, автор не призывает специально увеличивать выбросы СО2. Экономия ресурсов, в том числе и ископаемого топлива, уменьшение вредных выбросов и сохранение биологического разнообразия остаются важной задачей. Но изложенное в настоящей статье противоречит общепринятым общественным взглядам на проблему парникового эффекта и положениям, сформулированным в Киотском протоколе. Эти положения, широко рекламируемые экологическими движениями различного толка, не соответствуют имеющимся надежным научным данным и являются, по существу, идеологическими мифами.

Евгений Гришанин,

заведующий лабораторией ВНИИ атомного машиностроения,

к. ф-м. н.