Парниковый эффект: мифы и реалии.

Киотский протокол, призванный сплотить борцов с парниковым эффектом, лишен каких-либо научных обоснований, но его ритуальное обсуждение и пропаганда продолжаются и по сей день. Тем не менее он высветил настоятельную необходимость для всего мирового сообщества сбалансировать потребление атмосферного кислорода - окислителя органического горючего, о чем, пожалуй, весьма аргументировано сказано в статье Виталия Болдырева "Атмосферным кислородом по глобализации и кредиторам" (см. "ПВ" № 5-6, мар, 2001г.). Ограниченность природных запасов органического горючего и необходимость сбалансированного использования атмосферы в огневой электроэнергетике делают на сегодня безальтернативным для человечества развитие атомной энергетики.
Рассуждения о вреде парникового эффекта для климата Земли стали на столько расхожими, что об этом говорят все кому не лень. Между тем научные данные о динамике изменения углекислоты в атмосфере и парниковому эффекту, собранные во едино, показывают совсем другую картину мира.

Миф первый: опасность потепления климата.

     Общепринятые оценки метеорологов показывают, что повышение содержания углекислотного 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 оценки специалистом Института сельхозметеорологии Роскомгидромета, повышение концентрации СО₂ в два раза приведет к удвоению хозяйственной полезной площади России с 5 до 11 млн. км2. По хозяйственной 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 0° С. в два раза приведет к удвоению хозяйственной полезной площади России с 5 до 11 млн. км2. По хозяйственной 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 0° С.
     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 мало продуктивная зона центральной России станет плодоносной, продолжительность сельскохозяйственного года в ней утроится, Кубань превратиться в саванну, в Сибири морозы прекратятся, и там будут выращивать хлопок, а северный морской путь освободиться 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 останется практически таким же относительно не жарким. Причем это повышение температуры 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. До наступления последней ледниковой эпохи средняя температура Земли была на 5-6° С выше, и в районе Якутска росли леса грецких орехов.

Миф второй:Угроза потопа.

В разных источниках указываются разные значения повышения уровня Мирового океана в пределах до 0,2-1,4 метра. Доверчивые специалисты при этом восклицают: Всемирный потоп! Однако почти все ледники в северном полушарии 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 Атлантический. Дело в том, что оледенение имеет место быть при температуре ниже нуля, а температура Антарктиды в зависимости от сезона равна 30-90 °С ниже нуля. При ожидаемом потеплении условия сохранения Антарктического ледника практически не изменяется. Скорее всего из-за увеличения испарений количество влаги, поступающей в Антарктиду, возрастет, из-за этого ледник может существенно увеличиться и соответственно возрастет сход айсбергов. Гренландия - это маленькая Антарктида. При ожидаемом в 21 веке повышении температуры в высоких широтах на 4 °С температура на ледниках Гренландии сохраниться существенно ниже нуля, и из-за увеличения циркуляции влаги в атмосфере выпадение снега в Гренландии и частота схода там айсбергов увеличится. Данные палеоклиматологии подтверждают эти прогнозы. Гренландский и Антарктический ледники существуют многие десятки миллионов лет и пережили периоды несравненно более сильного потепления, чем это ожидаемое. Поэтому никакого существенного повышения уровня Мирового океана не следует ожидать ни в 21 веке, ни в более отдаленные времена.

Миф третий: Вредность СО₂

Сколько 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 низкое содержание СО₂ в воздухе для некоторых людей является причиной астматических болезней. Их не даром лечат по методу профессора Бутейко задержкой дыхания. Ведь присутствие СО₂ совершенно необходимо для эффективного дыхания. По-видимому, этот 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 культур возрастает. По мнению некоторых врачей, человеку полезнее высокогорный воздух, где абсолютная концентрация кислорода вдвое меньше . В обыденном сознании сформировалось мнение , что леса являются "легкими планеты". Но леса и растительность вообще в основном поглощают СО₂. Очищать воздух от углекислого газа бессмысленно, так как его уже практически там нет: осталось всего 0.035%. Таким образом , и в этом смысле обыденное сознание отягощено мифами.

СО₂ и парниковый эффект.

     По оценкам ученых, без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы на 30 градусов 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 H₂0, 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 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 раз в год. В высоких широтах при снижении зимней температуры концентрация водяного пара в атмосфере резко снижается, так как он конденсируется и выпадает в виде осадков. 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 увеличение альбедо будет 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 вызвать оледенение. Очень показательно, например, сравнение климата 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 в основном состоит из СО₂ и имеет давление 90 атмосфер. Из-за мощного парникового эффекта температура на поверхности Венеры составляет 500 С.
     Парниковый эффект и оледенение, по имеющимся научным данным, взаимно связаны. На рисунке приведены кривые изменения концентрации СО₂ в атмосфере и температуры за последние 160 тысяч 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 и отсутствием материковых льдов. Следует отметить, что максимумы температуры и содержания СО₂ совпадали и похоже способствовали появлению неандертальцев 100000 лет назад и сельскохозяйственной революции примерно 5000 лет назад.

Максимум последнего оледенения был примерно 20000 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 в всю Северную Европу включая Берлин, Москву , Киев и Санкт-Петербург. Общая площадь материковых льдов 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 10000 лет.

Именно быстрое возрастание концентрации СО₂ привело за 9000 лет к почти полному таянию этих ледников. Остались лишь ледники в Антарктиде и Гренландии, 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 2 месяцев. Но для таяния льдов необходимо больше времени , так как требуется много тепла. На таяние материковых ледников не влияет антропогенный фактор.
В сознании широкой общественности потепление почти всегда соединяется с повышением температуры летом и засухой зимой. 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 океанических и материковых льдов в высоких и средних широтах и, во-вторых, за счет увеличения средней температуры. Таяние высокогорных ледников не грозит мелением рек, так как количество влаги в горах не уменьшится. И лишь изменится сезонное распределения поступления воды в горные реки. Эти теоретические рассуждения вполне поддерживаются данными палеоклиматологии . А вот каждое оледенение сопровождалось засухой , так как накопление на суше материковых льдов приводило в сокращению площади мирового океана на 30% и одновременно снижалась температура атмосферы и водной 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 поглощается океаном. Правда, перемешивание океанической воды длится от 200 до 2000 лет . Океан, следовательно, является гигантским аккумулятором и регулятором концентрации углекислоты в атмосфере. Именно поэтому изменение концентрации СО₂ в атмосфере будут происходить во много раз медленнее , даже несмотря на рост антропогенных выбросов.
       В каменноледниковых, сланцевых и иных углеродосодержащих месторождениях угольной кислоты 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 во время каменно-угольного геологического периода, когда на земле буйствовала растительность, был теплый устойчивый климат и процветали динозавры. Такая растительность была следствием высокой концентрации углекислоты, которая являлась главной , ничем не заменимой пищей для фотосинтеза. Реальная причина вымирания динозавров - похолодание в связи с наступлением ледникового периода, увядание растительности и недостаток пищи. Они вымирали в течении нескольких миллионов лет: одни виды раньше, другие позже.
       Основная масса СО₂ в карбонатных породах , причем в основном на дне океанов. Материковые карбонатные породы сформировались когда эти участки суши были дном морей и океанов. Как же почти весь СО₂ оказался захороненным на дне океанов?
       Согласно современным научным представлениям первичная атмосфера образовалась в результате разделения по плотности земных пород. Она состояла из СО₂ , метана , аммиака, сероводорода. Изъятие из первичной атмосферы углекислоты происходило благодаря фотосинтезу в первых живых организмах на Земле. Самозарождение 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 которых является процесс окисления. Первые животные, появившиеся сначала в океане, строили скелеты из известняка СаСО3 и магнезита (доломита) MgСО3. Их скелеты и раковины гигантских размеров откладывались на дне океанов и морей, и эти отложения можно видеть сейчас, в виде месторождения мрамора, меловых гор, известняка. А углекислота была почти начисто извлечена как из воды океана, так и из атмосферы. Кстати, некоторые ученые называют результатом этого процесса первой экологической катастрофы для первых обитателей Земли. Ведь интенсивность фотосинтеза пропорциональна концентрации СО₂ в атмосфере и океане. Когда растительность распространилась на суше, создались условия для начала каменноугольного периода - эпохи карбона. Однако в образовавшиеся каменноугольные, нефтяные и газовые месторождения попало тогда меньшая часть углекислоты, так как для их образования на суше требовались специфические условия, а именно болота, покрытые минеральными осадками. В противном случае органика сгнивает, а СО₂ возвращается обратно в атмосферу. Иное дело океанские отложения из СаСО3 и MgСО3. Они хоронились на всегда, и возвратить и обратно в оборот не в силах даже человечество, как оно делает с СО₂ при сжигании нефти, каменного угля и газа.
       В нашу геологическую эпоху в атмосфере остались буквально жалкие остатки прежнего количества СО₂. Чтобы извлечь необходимую для жизни углекислоту, растениям приходится прокачивать через себя огромное количество воздуха, так как в нем содержится мало СО₂ - всего 0,035%. Но даже при низкой в нынешнюю геологическую эпоху интенсивности 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 осуществляется за счет гниения и сжигания растительности, извержения вулканов и сжигания человеком каменного угля, нефти и газа, накопленных в недрах Земли. Откуда же появился СО₂ в вулканах?

Топка в преисподней.

       В геологии утвердилась теория 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 отводиться за счет очень медленной циркуляции относительно пластичных пород в недрах Земли. Этот процесс хорошо известен в быте, например, таким путем отводится тепло от кипящей воды в чайнике. Именно этот конвективный процесс обуславливает движение плит земной коры, при котором смещающаяся плита задвигается под соседнюю плиту. Этот процесс геологи называют субдукцией. Типичным местом 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 СО₂ и MgСО3, т.е. из скелетов мелких морских животных и моллюсков, 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 высоких температур и происходит разложение СО₂ и MgСО3 с образованием углекислого газа, а также водяного пара, молекулы которого содержаться в кристаллических породах. Выделяющийся 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 природу возвращается углекислота, казалось бы, навечно погребенная на дне океана. Эти процессы будут происходить до тех пор, пока в недрах Земли выделяется тепло. Если Земля остынет на столько, что движение плит прекратиться, то жизнь на Земле также быстро, буквально за несколько сотен лет, прекратиться.
       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 последних 10 миллионов лет 5% поверхности нашей планеты за счет движения плит было задвинуто под соседние плиты. Принимая максимальную толщину отложений в океанических плитах, равную 1-2 км, получим, что в среднем за год в течение этих 10 миллионов лет выбрасывалось всего по 2,5 - миллиардов тонн СО₂. Увеличение количества СО₂, выбрасываемого сейчас вулканами, произошло из-за того, что толщина карбонатных пород на конце океанических плит стала больше или возросла скорость движения плит. Это означает, что наступает конец большой ледниковой эпохи. Поэтому никакие ограничения выбросов СО₂ не дадут существенного эффекта и потепление на Земле неизбежно!
       Захоронение СО₂ на дне океана в карбонатных породах происходит за 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 накопление отложений на дне океана будет велико. 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, стремиться к максимальному размножению. Следовательно, увеличивающаяся растительность сможет съесть всю углекислоту за соответственно меньше время. Тогда количество отложений СО₂ в океане уменьшается, и через 200-300 миллионов лет вулканы начинают выбрасывать меньше углекислоты. 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 200-300 миллионов лет. Именно такую периодичность давно заметили геологи. Кстати заметим, что перед каждым потепление увеличивается активность вулканов. 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 монгойского 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 не устойчивым, благодаря упомянутых выше сильных обратных связей. Именно этот период характерен быстрыми колебаниями температуры и площади оледенения. В периода потепления растительность буквально пожирает СО₂, парниковый эффект уменьшается и начинается оледенение. Затем растительность угнетается, и концентрация СО₂ восстанавливается за счет постоянного действия вулканов. Жизнь снова расцветает. Период этих колебаний составляет порядка 10000-100000 лет. Эти короткие периодические автоколебания возникают только во время оледенения, так как причиной периодического оледенения является сама жизнь в океане и на суше. Длительные ледниковые эпохи возникают с периодом порядка 200-300 миллионов лет вследствие движения океанических плит и отложения продуктов жизнедеятельности в океане в виде карбонатных пород. Короткие периодические автоколебания климата внутри ледниковой эпохи с периодом порядка 10000-100000 лет возникает 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 океанических 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 часть запасов СО₂ из каменноугольных, нефтяных и газовых месторождений. Однако следует помнить , что возможно наступление очередного похолодания и восстановления материковых льдов в Европе и Северной Америке на многие тысячелетия! Это неизмеримо опаснее любого непредусмотренного 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 организациями различного толка, не соответствуют имеющимся надежным научным данным и являются, по существу, идеологическими мифами.

Евгений Гришанин, к. ф-м. н.
заведующий лабораторией ВНИИ
атомного машиностроения.

Материал взят из газеты "Промышленный вестник", август 2001 года.