Одним из важнейших климатообразующих свойств атмосферы является ее способность генерировать тепло и доставлять его к поверхности Земли. С научных позиций это явление первым объяснил французский физик и математик Жан-Батист Жозеф Фурье (Jean-Baptiste Joseph Fourier, 1768–1830). В своей работе «О температурах земного шара и межпланетного пространства» 1827 года он указал на неодинаковую прозрачность атмосферных слоев для коротковолнового и длинноволнового излучения, благодаря чему солнечный свет (короткие волны) практически беспрепятственно проходит сквозь атмосферу, достигает поверхности Земли и нагревает ее, а инфракрасное излучение от нагретой земной поверхности (длинные волны) не уходит сразу в открытый космос, а задерживается атмосферой и возвращается обратно на Землю, дополнительно нагревая ее. В 1901 году шведский метеоролог Нильс Густав Экхольм (Nils Gustaf Ekholm, 1848–1923) назвал это явление парниковым эффектом. Название прижилось и с тех пор широко используется в науке и в публичном пространстве.

В 1850-х годах британский ученый ирландского происхождения Джон Тиндалл (John Tyndall, 1820–1893) провел серию экспериментов на специально сконструированной им установке, которая позволяла измерять поглощение инфракрасного излучения от имеющегося на ней собственного источника различными атмосферными газами, и пришел к выводу, что преобладающие в атмосфере газы, такие как азот и кислород, практически не поглощают инфракрасное излучение, тогда как водяной пар, углекислый газ и некоторые другие газы обладают указанным свойством (см. Tyndall, 1859, 1861, 1872).

В это же время на другой стороне Атлантики эксперименты с нагреванием газовых смесей проводила американская исследовательница Юнис Ньютон Фут (Eunice Newton Foote, 1819–1888), которую иногда называют в числе основоположников теории парникового эффекта и чуть ли не матерью климатологии. Не умаляя ее заслуг перед наукой, нельзя не отметить, что она не вполне точно идентифицировала источник термального воздействия на предмет своего исследования (атмосферные газы), отождествляя его с солнечными лучами, тогда как в действительности солнечные лучи практически не взаимодействуют с газами, а источником теплового воздействия в ее эксперименте были цилиндрические приемники, т.е. нагретое твердое тело, излучавшее в инфракрасном диапазоне. Впрочем, независимо от этого сделанный Ньютон Фут вывод о том, что «атмосфера из углекислого газа придала бы Земле высокую температуру» и что с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере приземная температура должна повышаться, является корректным и неоспоримым.

В 1890-х годах шведский ученый Сванте Август Аррениус (Svante August Arrhenius, 1859–1927) предложил способ количественной оценки изменения приземной температуры при изменении количества парниковых газов в атмосфере с использованием специального коэффициента поглощения и рассчитал отклик приземной температуры на двукратное повышение концентрации углекислого газа. Оказалось, что приземная температура при этом увеличится на несколько градусов Цельсия (см. Arrhenius, 1896).

Идея посчитать, как повлияет на приземную температуру рост количества углекислого газа в атмосфере, возникла неслучайно. К тому времени основным топливом стал каменный уголь, и для ученого сообщества не было, разумеется, секретом, что с точки зрения химии сжигание каменного угля представляет собой процесс окисления углерода до углекислого газа с выделением последнего в атмосферу и что рано или поздно это неминуемо приведет к дополнительному нагреву планеты. На рубеже ХIХ и ХХ вв. об этом писали даже газеты.

Так, что же такое парниковые газы, какой вклад они вносят в формирование климата на планете и насколько наблюдаемое изменение климата (глобальное потепление) связано с деятельностью человека?

Парниковыми газами называют газообразные вещества, которые обладают высокой прозрачностью в видимом диапазоне и высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне излучения. Находясь в атмосфере Земли, они пропускают солнечный свет, идущий в сторону Земли, но улавливают инфракрасное излучение, исходящее от нагретой поверхности Земли, и переизлучают его как вверх, в направлении космоса, так и вниз, в направлении Земли, увеличивая тем самым количество энергии, приходящей к ее поверхности. К парниковым газам относятся водяной пар, тропосферный озон, углекислый газ, метан, закись азота, гидрофторуглероды, перфторуглероды, гексафторид серы и трифторид азота.

Некоторые парниковые газы легко выводятся из атмосферы. Например, водяной пар и тропосферный озон задерживаются в атмосфере всего на несколько дней. Основными поставщиками водяного пара в атмосферу являются Мировой океан, а также болота, реки, озера и леса. Метан и гидрофторуглероды тоже считаются короткоживущими газами, но время их пребывания в атмосфере исчисляется годами: 12-13 лет для метана и 1,5-2 года для гидрофторуглеродов. Углекислый газ, закись азота, перфторуглероды, гексафторид серы и трифторид азота – долгоживущие парниковые газы. Углекислый газ может оставаться в атмосфере столетиями (до тысячи лет). Закись азота «живет» в атмосфере 120 лет. Помимо продолжительности нахождения в атмосфере парниковые газы различаются интенсивностью производимого ими инфракрасного излучения в единицу времени.

Чтобы оценить вклад различных парниковых газов в создание парникового эффекта, их приводят к единому эквиваленту, сравнивая с углекислым газом (СО2). Соответствующая условная единица измерения называется «СО2-эквивалент», или сокращенно «СО2-экв.». Чаще всего за эталон принимают количество инфракрасного излучения, производимого углекислым газом в атмосфере за определенный период времени – 20 лет или 100 лет. Путем сравнения с этим эталон определяют Потенциал глобального потепления (Global Warming Potential, GWP) того или иного парникового газа на соответствующем временном интервале в расчете на 1 метрическую тонну (Таблица 1). Другой способ перевода метрических тонн парниковых газов в СО2-эквивалент основан на определении Потенциала прироста средней глобальной температуры (Global Temperature Rise Potential, GTP) на конец соответствующего периода (см. Таблицу 1). Однако он менее точен и достоверен, поскольку включает в себя больше факторов неопределенности.

Главным из них является водяной пар, который играет в атмосфере двоякую роль. С одной стороны, будучи парниковым газом, он участвует в создании дополнительного теплового потока, направленного из атмосферы к поверхности Земли. С другой стороны, он служит строительным материалом для образования облаков, которые обладают способностью рассеивать солнечный свет (обладают высоким альбедо), и в этом качестве препятствует проникновению солнечной энергии к поверхности Земли. С ростом приземной температуры содержание пара в атмосфере увеличивается – примерно на 7% на каждый 1^оС повышения температуры. Но сказать определенно, какое из двух свойств водяного пара возьмет верх и как это в конечном счете скажется на температуре, пока не представляется возможным. Не хватает эмпирических данных.

Таблица 1. Потенциал глобального потепления (ПГП) и Потенциал глобального изменения средней температуры (ПГТ) для некоторых парниковых газов

При отсутствии серьезных внешних воздействий концентрация парниковых газов в атмосфере относительно стабильна. По крайней мере, так было на протяжении последних 800 тыс. лет (по другим оценкам – от 3 до 23 млн. лет). Это достигается благодаря установившемуся динамическому равновесию между выбросами в атмосферу парниковых газов естественными источниками и обратным поглощением (изъятием) парниковых газов из атмосферы естественными поглотителями на поверхности Земли (см. Рисунок 1).

В этом равновесном состоянии парниковые газы генерируют поток тепла, который добавляет к приземной температуре примерно 33^оС, благодаря чему она в среднем по году является плюсовой, порядка +15^оС. Без парникового эффекта она была бы -18^оС. Однако чрезмерное накопление в атмосфере парниковых газов приводит к нарушению теплового баланса планеты и, как следствие, к разбалансировке ее климатической системы.

Помимо парниковых газов на климат влияют и другие факторы. В начале XX века сербский астрофизик Милутин Миланкович (Milutin Milanković, 1879–1958) установил, что незначительные изменения параметров положения Земли относительно Солнца – например, сжатости орбиты Земли, угла наклона земной оси к плоскости орбиты или отклонения земной оси от направления на Солнце – приводят к изменению количества солнечной энергии, приходящей в летнее время к Северному полушарию, и вызывают смену периодов оледенения и межледниковья. Этот циклический процесс занимает десятки и сотни тысяч лет. Одиннадцатилетние циклы солнечной активности оказывают слабое воздействие на климат. Извержения вулканов «выстреливают» в атмосферу взвешенные частицы (аэрозоли), которые укрывают Землю от Солнца, что приводит к временному похолоданию. Падение метеоритов и других небесных тел на Землю квалифицируется как импактное воздействие. Оно вызывает мгновенное изменение климата и может иметь катастрофические последствия. Так, 66 млн. лет назад падение небесного тела стало причиной резкого похолодания и привело к исчезновению динозавров, а 10 тыс. лет назад при аналогичных обстоятельствах вымерли мамонты. 

В последнее время к естественным факторам климатической изменчивости добавился новый — антропогенный. Нельзя сказать, что до этого деятельность человека не оказывала воздействия на климат. Вырубка лесов под пашни и пастбища увеличивала альбедо земной поверхности, но в целом сказывалась на климате планеты незначительно. Индустриализация и переход к машинному способу добычи, переработки и потребления ископаемых и других природных ресурсов многократно усилили воздействие человека на окружающую среду и климат, сделав человека не просто существенным, а ключевым фактором происходящих изменений, что позволяет говорить о наступлении новой эры – антропоцена. Хозяйственная деятельность человека приобрела такой размах, что стала непосредственно и очень сильно влиять на химический состав атмосферы. Так, за последние 150 лет благодаря деятельности человека концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась более чем в 1,5 раза, метана – в 2,6 раза, закиси азота – почти в 1,25 раза (Рисунок 1). Это приводит к усилению парникового эффекта, что в научной литературе описывается как «антропогенный радиационный форсинг».

радиационный форсинг».

             а) Содержание в атмосфере углекислого газа, ppm                                          б) Содержание в атмосфере метана, ppb

                  в) Содержание в атмосфере закиси азота, ppb                               г) Антропогенные выбросы ПГ, млрд тонн СО2-экв. в год

Источник: https://ourworldindata.org/

Рисунок 1. Антропогенные выбросы и содержание парниковых газов в атмосфере

На ранних этапах антропогенное усиление парникового эффекта уравновешивалось выбросами в атмосферу серосодержащих аэрозолей от сжигания энергетических углей и флотского мазута. Находясь в атмосфере, эти аэрозоли, как и аэрозоли, образующиеся при извержении вулканов, отражают часть солнечного света, уменьшая количество энергии, достигающей поверхности Земли, и тем самым оказывают охлаждающее воздействие на климат. Но если извержения вулканов забрасывают аэрозоли высоко в атмосферу, то при антропогенных выбросах они остаются в приземном слое и представляют угрозу для жизни и здоровья человека. Поэтому с этими выбросами человечество активно и достаточно успешно борется, используя все более жесткие требования к энергоэффективности оборудования и к содержанию серы в топливе, а также иные меры природоохранного регулирования. В итоге эти выбросы удалось взять под контроль.

Наоборот, антропогенные выбросы парниковых газов продолжают расти, несмотря на принятые международные соглашения и предпринимаемые мировым сообществом меры и являются на сегодняшний день главным драйвером глобального изменения климата (см. Рисунок 2). Заметное снижение антропогенных выбросов парниковых газов имело место в 2020 году, из-за пандемии. Однако уже в следующем году они вернулись на прежнюю траекторию роста и в 2023 году достигли рекордной отметки в 57,1 млрд. тонн СО2-экв.

Источник: CarbonBrief, 2017

Рисунок 2. Отклонение приземной температуры от средней за 1850-1900 гг.
под воздействием различных факторов климатической изменчивости

На втором месте – тропосферный озон. Он не имеет конкретных источников выбросов, а образуется непосредственно в атмосфере в результате взаимодействия (реакции) оксидов азота с летучими органическими соединениями при высоких температурах и в присутствии солнечного света. При этом и оксиды азота, и летучие органические соединения также по большей части обязаны своим появлением в атмосфере деятельности человека.

В результате количество избыточного тепла, приходящего из атмосферы к поверхности Земли, быстро растет. Если в среднем за 1971–2020 гг. эта величина составила 0,48±0,1 Вт/м² в год, то в среднем за период с 2006 по 2020 гг. – 0,76±0,2 Вт/м² в год.

До 90% этого избыточного тепла аккумулирует Мировой океан. Еще 4% расходуется на растапливание ледников, в том числе материковых. Это приводит к повышению уровня Мирового океана. И тоже с ускорением. По данным инструментальных измерений, скорость повышения уровня океана возросла с 0,18 см/год в начале 1990-х годов до 0,42 см/год в настоящее время. Непосредственно в 2023 году уровень моря поднялся на 0,75 см.

Рост приземной температуры тоже ускоряется. Если в середине прошлого века ситуация выглядела неоднозначно, температура как будто бы даже немного снижалась, что было вызвано разнонаправленным воздействием различных факторов, то во второй половине XX века возобладал повышательный тренд, который с тех пор является климатической доминантой. По данным Всемирной метеорологической организации (ВМО), последнее «полное календарное» десятилетие (2011–2020 гг.) было самым теплым за всю историю наблюдений. Самые теплые десять лет за всю историю наблюдений случились в период с 2014 по 2023 гг., причем самым теплым из них был 2023 год, а текущий год, судя по прогнозам, обещает стать теплее всех предыдущих. В 2023 году отклонение среднегодовой температуры от доиндустриального уровня (1850-1900 гг.) составило 1,45 ± 0,12°C.

Более 75% антропогенных выбросов парниковых газов в атмосферу составляют выбросы углекислого газа, в том числе выбросы от использования ископаемых топливных и других углеродсодержащих ресурсов – свыше 68%, от земле- и лесопользования – 7%. На втором месте выбросы метана – порядка 17%. На закись азота и фторсодержащие газы приходится в общей сложности 7,5% выбросов (Таблица 2).

Таблица 2. Структура антропогенных выбросов парниковых газов
в атмосферу по данным за 2023 год

Источник: UNEP, Emissions Gap Report 2024

С учетом этого для смягчения климатических изменений и удержания роста приземной температуры в пределах 1,5-2,0 °C относительно доиндустриального уровня необходимо прекратить сведение лесов, добиться превышения количества удаляемого из атмосферы углекислого газа над его антропогенными выбросами и уменьшить до минимума выбросы в атмосферу остальных парниковых газов, оксидов азота и летучих органических соединений. В противном случае изменение климата может стать полномасштабной экзистенциальной проблемой для человечества и всей современной цивилизации. По расчетам специалистов, если процесс не затормозить прямо сейчас, то уже в ближайшее время изменение климата перейдет несколько важных критических точек (tipping points), после которых оно станет необратимым и негативно отразится на жизни большинства населения планеты.

Причем пять из выделенных учеными шестнадцати критических точек, а именно: таяние ледяных щитов Гренландии и Западной Антарктики, повсеместное резкое таяние вечной мерзлоты, нарушение конвекции в Лабрадорском море и массовая гибель коралловых рифов в тропиках, могут быть пройдены при нынешних температурах, а еще четыре – при повышение средней температуры на 1,5 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем. Мало того, в ряде случаев переход через эти критические точки повлечет за собой каскадный эффект. Например, таяние ледников и повышение уровня океана может вызвать изменение температурного режима в Арктике, привести к еще более быстрому таянию вечной мерзлоты и выбросу в атмосферу дополнительного количества метана, что в свою очередь усилит парниковый эффект и ускорит таяние ледников.

По словам заведующего кафедрой метеорологии и климатологии географического факультета МГУ, профессора А. В. Кислова, все это приведет к дополнительным суровым последствиям. Возрастут риски для общества, инфраструктуры и прибрежных поселений. Усиление волн жары, засух и наводнений уже превышает пороги чувствительности растений и животных, вызывая массовую гибель биологических видов. Экстремальные погодные явления происходят одновременно, вызывая каскадные воздействия, с которыми все труднее справляться. Они приводят к тому, что миллионы людей разом лишаются крова, испытывают критическую нехватку продовольствия и питьевой воды, страдают и умирают. Особенно тяжко приходится населению в Африке, Азии, Центральной и Южной Америке, на малых островах и в Арктике.

Но предотвратить катастрофическое развитие событий все еще возможно. Для этого необходимо к 2030 году сократить антропогенные выбросы парниковых газов наполовину и не позднее 2050 года достичь равновесия между антропогенными выбросами в атмосферу и удалением из атмосферы углекислого газа. Сахалинский эксперимент имеет своей целью достичь этого равновесия уже на будущий год. Россия в целом тоже может поторопиться и не дожидаться 2060 года, который она определила в качестве крайнего срока достижения «углеродной нейтральности». Тем более, что, согласно новым данным, дистанция до этой цели оказалась меньше на одну треть. Значит, не требуется и 40 лет, которые отводились ранее на ее преодоление. Вполне достаточно 25-ти, а то и 20-ти. По крайней мере, стоило бы поставить именно такую цель, учитывая обстоятельства. И сделать все, чтобы выйти на этот рубеж досрочно.

Источники:

1. С. М. Семенов. Парниковый эффект: открытие, развитие концепции, роль в формировании глобального климата и его антропогенных изменений. – Фундаментальная и прикладная климатология, 2/2015

2. Zeke Hausfather. Analysis: Why scientists think 100% of global warming is due to humans – Carbonbrief, 2017 (https://www.carbonbrief.org/analysis-why-scientists-think-100-of-global-warming-is-due-to-humans/)

3. Karina von Schuckmann et al. Heat stored in the Earth system 1960–2020: where does the energy go? (https://essd.copernicus.org/articles/15/1675/2023/)

4. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Climate Change 2021 – The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press; 2023. (https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/#)

5. WMO Greenhouse Gas Bulletin. No. 19 – 15 November 2023. The State of Greenhouse Gases in the Atmosphere Based on Global Observations through 2022 (https://library.wmo.int/records/item/68532-no-19-15-november-2023)

6. WMO. State of the Global Climate 2023, 2024 (https://library.wmo.int/records/item/68835-state-of-the-global-climate-2023)

7. UNEP, Emissions Gap Report 2024 (https://www.unep.org/resources/emissions-gap-report-2024)

8. Англоязычную версию книги см. здесь: https://geosci.uchicago.edu/~rtp1/papers/Fourier1827Trans.pdf

9. С. М. Семенов. Парниковый эффект: открытие, развитие концепции, роль в формировании глобального климата и его антропогенных изменений. – Фундаментальная и прикладная климатология, 2/2015 (см. http://downloads.igce.ru/journals/FAC/FAC_2015/FAC_2015_2/Semenov_S_M_FAC_2015_N2_04122015.pdf)

10. https://www.kommersant.ru/doc/6253551 и https://www.techinsider.ru/history/1663665-yunis-fut-mat-klimatologii-raboty-kotoroi-ignorirovalis-iz-za-ee-pola/

11. http://samlib.ru/w/wasilxew_nikolaj/foote.shtml

Автор: Михаил Юлкин

Мнение редакции может не совпадать с мнением автора