Марафон-2005

Академик (РАЕН) О.Г.Сорохтин,
Институт океанологии им. П.П.Ширшова РАН

Адиабатическая теория парникового эффекта

Идея о разогреве земной атмосферы парниковыми газами впервые была высказана в конце XIX столетия известным шведским учёным С.Аррениусом [1] и с тех пор как очевидная принимается на веру, практически без проверки [2–5]. Эта точка зрения и сейчас полностью доминирует в заключениях Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), организаций ГРИНПИС, программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП), Всемирной метеорологической организации (ВМО), а также в выводах российских экологических и научных организаций. Эта же точка зрения была полностью поддержана решениями международных экологических конгрессов в Рио-де-Жанейро (Бразилия) в 1992 г. и в Киото (Япония) в 1997 г. Согласно прогнозам сторонников этих идей, к 2100 г. потепление может достигнуть 2,5–5 °С и вызвать повышение уровня океана на 0,6–1 м, что уже может создать определённые проблемы для густонаселённых районов континентальных побережий, а также для газовых и нефтедобывающих производств в низменных зонах большей части побережий севера России. Прогнозируются и другие губительные для природы последствия глобального потепления (расширение пустынь, исчезновение мерзлоты, эрозия почв и т.д.).

Опасения аналогичных катастрофических явлений, давление экологических организаций, а часто и просто спекуляции на эту тему заставляют правительства развитых стран выделять огромные средства на борьбу с последствиями потепления климата, якобы связанного с антропогенными выбросами в атмосферу «парниковых газов». А насколько оправданы эти расходы? Не ведём ли мы борьбу с «ветряными мельницами»?

При ближайшем знакомстве с этой проблемой оказалось, что теории парникового эффекта как таковой до 90-х гг. прошлого века вообще не существовало, а все расчёты влияния концентрации СО2 и других парниковых газов на климат Земли проводили по разным интуитивным моделям с введением в них многочисленных и не всегда устойчивых параметров [4]. При этом существующие неопределённости в оценках тех или иных параметров принятой модели (а их насчитывается не менее 30) фактически делают решение самой задачи некорректным. Мы решили использовать синергетический подход [6, 7] и провести анализ с самых общих позиций, представляя атмосферу Земли как открытую диссипативную (рассеивающую энергию) систему, описываемую нелинейными уравнениями математической физики.

Основные характеристики атмосферы

Масса современной атмосферы равна примерно 5,15 . 1021 г, среднее давление воздуха на уровне моря p0 равно одной физической атмосфере, или 101,32 кПа, плотность формула С высотой давление воздуха быстро уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 1):

формула,     (1)

где g = 9,81 м/с2 – ускорение силы тяжести; ми – средняя молярная масса атмосферных газов (равная 28,97 г/моль при р = р0), R = 1,987 кал/(К . моль) = 8,314 . 107 эрг/(К . моль) – газовая постоянная; Т – абсолютная температура; h – высота над уровнем моря. Соответственно уменьшается с высотой и плотность воздуха.

Рис.1

Сухой воздух содержит 75,51% (по массе) азота, 23,15% кислорода, 1,28% аргона, 0,046% углекислого газа, 0,00125% неона и около 0,0007% остальных газов. Важной активной компонентой является водяной пар (и вода в каплях облаков): их средняя масса достигает 0,13 . 1020 г, что в пересчёте на слой конденсированной воды составляет 25 мм, или в среднем 2,5 г/см2. Если учесть среднегодовое испарение и выпадение осадков, приблизительно равное 780 мм водяного столба, то легко определить, что водяной пар в атмосфере обновляется примерно 30 раз в году, или каждые 12 дней. В верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца возникает озон (О3). Несмотря на малые количества (около 3,1 . 1015 г, в то время как кислорода 1,192 . 1021 г), этот газ спасает жизнь на поверхности Земли от пагубного воздействия жёсткого излучения Солнца.

Можно выделить три характерных слоя атмосферы Земли (рис. 2) [8]. Нижний и наиболее плотный слой – тропосфера, – простирающийся до высот порядка 8–10 км в высоких широтах и до 16–18 км в экваториальном поясе (в среднем – до 12 км), содержит около 80% массы всей атмосферы и характеризуется почти линейным распределением температуры. Средний слой уже существенно разреженной атмосферы включает в себя стратосферу и мезосферу и характеризуется резким максимумом температуры, достигающим 270 К на высотах около 50 км. Ещё выше расположена термосфера, в которой температура ионизированных газов увеличивается с высотой до 1000 К и более, а на высотах, превышающих 1000 км, термосфера постепенно переходит в экзосферу и далее – в открытый космос. Между тропосферой и стратосферой, мезосферой и термосферой существуют переходные слои – соответственно тропопауза (температура около 190–220 К) и мезопауза (около 180–190 К).

Рис. 2

Рис. 2. Распределение температуры в атмосфере Земли: Те – радиационная (эффективная) температура Земли; Ts – средняя по Земле температура, приведённая к уровню моря; T – значение парникового эффекта; Tbb – температура абсолютно чёрного тела, находящегося на орбите Земли

В тропосфере температура растёт с высотой почти линейно, тогда как в верхней атмосфере имеется резкий максимум на высотах около 50 км и повышение на высотах выше 90 км. Максимум связан с поглощением УФ-излучения Солнца озоном, повышение связано с ионизацией разреженного воздуха жёстким излучением Солнца.

Таким образом, в стратосфере и мезосфере температура в основном определяется радиационным механизмом передачи тепла, тогда как в тропосфере – другими процессами, главным из которых является конвективный вынос тепла из этого нижнего и плотного слоя в стратосферу, где оно теряется в космос уже радиационным путём.

Адиабатическая теория парникового эффекта

По определению, парниковым эффектом дельтаT называется разность между средней температурой поверхности планеты Ts и её радиационной (эффективной) температурой Te, под которой эта планета видна из космоса:

дельтаТ = TsTe.      (2)

Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна 288 К (+15 °С), а её эффективная температура определяется так:

формула     (3)

где сигма = 5,67 . 10–5 эрг/(см2 . с . К4) – постоянная Стефана–Больцмана, S – солнечная постоянная на удалении планеты от Солнца, А – альбедо, или отражательная способность, планеты, в основном регулируемая её облачным покровом. Для Земли S = 1,367 . 106 эрг/(см2 . с), А приблиз. 0,3, Te = 255 К (-18 °С); следовательно, парниковый эффект на Земле сейчас равен +33 °С.

С точки зрения приведённого определения парниковый эффект является вполне реальной категорией, хотя сам термин парниковый эффект неудачен и физически просто неверен. Считается, что атмосфера, содержащая так называемые «парниковые газы», слабо поглощает солнечное коротковолновое излучение, которое в большей части достигает земной поверхности, но задерживает переизлучённое этой поверхностью длинноволновое (тепловое) излучение, тем самым значительно уменьшая теплоотдачу Земли в космическое пространство. Это и принимается за главную причину повышения температуры атмосферного воздуха. Чем выше концентрация в воздухе упомянутых «парниковых газов», тем, как считается, больше прогрев атмосферы. Своё название эффект получил по явлениям в теплицах, перекрытых стеклянными крышами (greenhouse effect), поскольку стекло тоже легко пропускает солнечное излучение в видимой части спектра, но задерживает инфракрасное. Однако главный эффект всех теплиц и парников в другом – в предотвращении конвективного перемешивания заполняющего их воздуха с наружным воздухом: как только открываются окна теплиц и восстанавливается связь с внешним пространством, сразу же пропадает и «парниковый эффект».

Поскольку Земля обладает сравнительно плотной атмосферой, то в нижнем и наиболее плотном её слое - тропосфере – перенос тепла происходит в основном благодаря конвективным движениям воздушных масс, а не только по механизму излучения – радиационным путём, как это представляют себе сторонники классического подхода. Действительно, в плотной тропосфере (давление более 0,2 атм) тёплые массы воздуха расширяются и поднимаются, а холодные, наоборот, сжимаются и опускаются. Радиационный перенос тепла доминирует только в разреженных слоях стратосферы, мезосферы и термосферы.

Отсюда следует главный вывод: среднее распределение температуры в толще тропосферы должно быть близким к адиабатическому, т.е. устанавливаться с учётом расширения и охлаждения воздуха при его подъёме и, наоборот, сжатия и разогрева при опускании. (Конкретные распределения температуры в конкретные моменты времени необязательно должны быть адиабатическими. Здесь имеются в виду лишь средние распределения за промежутки времени порядка месяца).

При адиабатическом процессе абсолютная температура описывается уравнением [9] (если считать атмосферу идеальным газом):

формула     (4)

где С – постоянная, p – давление газовой смеси формула – показатель адиабаты, формула cp и cV – удельные (на единицу массы) теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и постоянном объёме. Для всех трёхатомных газов (в том числе для СО2 и Н2О) гамма = 1,3, альфа = 0,2308; а для двухатомных (N2 и О2) гамма = 1,4, альфа = 0,2857. При конденсации паров воды во влажной тропосфере и поглощении «парниковыми» газами инфракрасного излучения происходит выделение тепла и повышение температуры воздуха. Это приводит к изменению альфа. Например, среднее значение этого параметра для влажной, поглощающей ИК-излучение тропосферы Земли равно 0,1905 [10], тогда как для сухого воздуха 0,2846.

Важно отметить, что конденсация влаги в тропосфере порождает облачность, которая является главным фактором, определяющим альбедо Земли. Это создаёт сильную отрицательную обратную связь между приземной и радиационной температурами, что приводит к стабилизации температурного режима тропосферы (рис. 3). Действительно, любое повышение приземной температуры усиливает испарение влаги и увеличивает облачность Земли, а это, в свою очередь, повышает альбедо планеты и отражательную способность земной атмосферы. В результате увеличивается отражение солнечного тепла от облаков в космос, сокращается его поступление на Землю, а средняя температура земной поверхности вновь снижается до прежнего уровня. Надо учитывать, что любая отрицательная обратная связь в системе приводит к линейной зависимости реакции на выходе от воздействия на входе [11]. Это свойство проявляется вне зависимости от природы самих систем, будь то атмосфера планеты, электронный усилитель или центробежный регулятор Уатта.

Рис.3

Если входным сигналом является так называемая температура абсолютно чёрного тела, характеризующая нагрев тела, удалённого от Солнца на расстояние Земля–Солнце, только за счёт поглощения солнечного излучения (Tbb = 278,8 К = +5,6 °С для Земли), то средняя приземная температура Ts линейно зависит от неё. Следовательно, средняя температура на любом уровне земной тропосферы

формула    (5)

где b – масштабный множитель (если измерения проводить в физических атмосферах, то для Земли b = 1,186 атм–1). Поскольку средняя поверхностная температура Земли равна 288 К, то из выражения (4) непосредственно следует, что на любом уровне земной тропосферы (при p > 0,2 атм)

формула     (6)

где p0 = 1 атм – давление атмосферы на уровне моря (здесь и далее индексом «0» отмечены современные значения параметров земной атмосферы).

Выражение (5) можно использовать и в случае других планет, если учесть зависимость Стефана–Больцмана:

формула         (7)

Тогда для любой планеты с плотной (при p > 0,2 атм) атмосферой получим

формула        (8)

Зависимость альфа от состава и влажности атмосферы легко находится по известной формуле:

формула          (9)

  формула      (10)

где ми приблиз. 29 г/моль – молярная масса воздуха; формула = 76,49 кПа, формула = 23,45 кПа, формула = 0,046 кПа, pAr = 1,297 кПа – парциальные давления соответствующих газов [12]; p = 101,3 кПа – суммарное давление атмосферы; сp(N2) = 0,248 кал/(г . К), сp(O2) = 0,218 кал/(г . К), cp(CO2) = 0,197 кал/(г . К), сp(Ar) = 0,124 кал/(г .К) [13]; сw и сr – поправочные коэффициенты, имеющие размерность удельной теплоёмкости и учитывающие соответственно суммарный тепловой эффект процессов конденсации влаги во влажной атмосфере (сw) и поглощения теплового излучения Земли и Солнца (сr).

Если ср = 0,2394 кал/(г . К) для сухой земной атмосферы, то при альфа = 0,1905 для влажной и поглощающей ИК-излучение осреднённой атмосферы сw+сr=0,1203кал/(г . К). Для планет с атмосферами другой природы под этими параметрами следует понимать характеристику любых теплофизических или химических процессов, приводящих к выделению или поглощению (сw + сr < 0) тепла в тропосфере.

Проверку адиабатической теории парникового эффекта проведём путём сравнения теоретических и экспериментальных распределений температуры в тропосферах Земли и Венеры. Сначала найдём значения показателей соответствующих адиабат. Для этого подставим в выражение (8) параметры атмосферы Земли:
S0 = 1,37 . 106 эрг/(см2 . с); (Tbb)0 = 278,8 К; (Ts)0 = 288 К; p0 = 1 атм. Затем по выражению (5) найдём формула = 1,033, по значениям температуры и давления на некотором промежуточном уровне (например, на высоте 5 км: Т5км = 255,5 К, р5км = 0,5333 атм) и по выражению (6) найдём альфа = 0,1905 и b = 1,186 атм–1. Расчёты совпадают с реальным распределением температуры в тропосфере стандартной атмосферы Земли [14] с точностью порядка 0,1% (рис. 4). Напомним, что стандартная модель земной атмосферы по сути своей является осреднённой по всей Земле зависимостью температуры и давления от высоты над уровнем моря. Эту модель тропосферы с градиентом 6,5 К/км обычно используют для настройки авиационных альтиметров и тарирования барометров, предназначенных для наземных наблюдений.

Рис.4

Значительно более жёсткой проверкой универсальности выведенных закономерностей является расчёт распределения температуры в плотной углекислотной тропосфере Венеры по заданному давлению и составу её атмосферы: рs = 90,9 атм; Ts = 735,3 К и S = 2,62 . 106 эрг/(см2 . с) [15, 16]. Рассуждая аналогично и подставляя Т30км = 496,9 К, р30км = 9,458 атм, находим: альфа = 0,173, b = 1,167 атм–1. Наилучшее совпадение теоретической кривой с эмпирическими данными получается, если принять у Венеры, как и у Земли, b = 1,186 атм–1. Расчётные и экспериментальные данные на Венере совпадают до высоты 40 км с точностью около 0,5–1,0%. Выше 60 км, при р < 0,2 атм, начинается тропопауза, и рассматриваемая здесь теория перестаёт работать. Можно предположить, что значение постоянной b = 1,186 атм–1 – универсально для планет с разным химическим составом тропосфер.

Таким образом, средняя температура на любом уровне достаточно плотной планетной тропосферы (давление выше 0,2 атм) однозначно определяется интенсивностью солнечного излучения, атмосферным давлением на этом уровне и эффективной удельной теплоёмкостью газовой среды, учитывающей дополнительный прогрев (охлаждение) тропосферы из-за происходящих в ней процессов выделения (поглощения) тепла.

Определение влажности и поглощения воздуха

Убедившись в справедливости адиабатической теории парникового эффекта, можно выполнить и ряд прогнозных расчётов. Рассматриваемая модель позволяет оценить долю участия всех составляющих переноса тепла в общем процессе регулировки температуры тропосферы. Так, по характеристическим температурам земной тропосферы (Te = 255 К, Ts = 288 К) удаётся определить поправочные члены к теплоёмкости сухой и не поглощающей ИК-излучение атмосферы с учётом радиационного сr и влагоконденсационного сw переноса тепла [10]. Пусть Qa – эффективный тепловой запас атмосферы, ma – её эффективная масса. Тогда радиационная составляющая теплоёмкости выразится через радиационную температуру простым соотношением

формула         (11)

Аналогично можно считать, что дополнительный разогрев атмосферы от радиационной температуры планеты до её средней поверхностной температуры характеризуется суммарной теплоёмкостью

 формула             (11' )

так что можно записать:

формула        (12)

или, с учётом выражения (9):

формула              (13)

формула              (14)

Подставляя теперь в соотношения (13) и (14) приведённые выше значения параметров земной атмосферы, находим: сr = 0,0412 кал/(г.К), сw = 0,0791 кал/(г.К), сr+сw=0,1203 кал/(г . К), т.е. те же самые значения, что и при анализе среднего распределения температуры в тропосфере Земли. Это ещё раз подтверждает правильность теории. На рис. 5 схематически показаны вклады в поток тепла от Земли в космос: за счёт непосредственной передачи тепла от земной поверхности при конвективном массообмене тропосферы – около 67%, за счёт поглощения ИК-излучения Земли и Солнца – 11%, за счёт конденсации влаги в толще тропосферы – ещё 22%.

Рис.5

Доминирование конвективной составляющей выноса тепла из тропосферы объясняется самым естественным образом. Действительно, энергия поглощённого «парниковыми» газами ИК-излучения возбуждает колебания в газовых молекулах, определяющие разогрев облучённого объёма газа. Дальнейшая передача тепла может происходить путём диффузии и конвекции. Однако коэффициент теплопроводности воздуха исключительно мал – около 5,3.10–5 кал/(см.с.К), что обеспечивает скорость передачи тепла сантиметры в секунду, тогда как за счёт конвекции она может достигать метров в секунду. Аналогичная ситуация и при разогреве воздуха за счёт конденсации в нём влаги.

Для Венеры (альфа = 0,173, ми = 43,2 г/моль, ср = 0,199 кал/(г . К), Ts = 735,3 К, Те = 228 К) соответствующие теплоёмкости в кал/(г . К) равны: сr=0,1834, сw=–0,1166, сq = 0,0668. Повышенное значение сr, определяющее радиационную передачу тепла, по-видимому, объясняется исключительно горячим состоянием её тропосферы. Отрицательное значение сw означает, что особенно в нижних и средних слоях тропосферы доминируют эндотермические реакции диссоциации каких-то химических соединений (например, серной кислоты на серный ангидрид и воду). В верхних же слоях тропосферы, на высотах от 40 до 50 км и выше 60 км (сw > 0), уже преобладают экзотермические реакции образования химических соединений и конденсации влаги.

Возможные направления расширения теории

Описанная модель парникового эффекта, по сути, является «одномерной»: планета представляется безразмерной точкой, единственное измерение – высота. Такая синергетическая модель является наиболее точной при определении глобальных характеристик тропосферы планеты, например, парникового эффекта, среднего распределения температуры, средних значений радиационной или влагоконденсационной составляющих выделения тепла и т.д. Используя закон Ламберта освещения сферы и вводя в рассмотрение широту местности фи, эту модель можно перевести в двухмерную, а вводя в неё долготную составляющую и сезонные колебания освещённости планеты, – в трёх- и четырёхмерную. При этом точность определения зависимости парникового эффекта от состава атмосферы снижается.

В этом случае физическое определение температуры абсолютно чёрного тела необходимо заменить понятием температуры «серого тела»:

формула         (15)

Если теперь учесть ещё существование конвективного переноса тепла в тропосфере, то температуру имитирующего Землю «серого тела» можно записать в виде:

формула          (16)

где производная = dQ/dt – скорость переноса тепла воздушными массами, например, циклонами (при этом, правда, приходится учитывать и перенос масс воздуха, что может нарушать адиабатическое распределение температуры в тропосфере, хотя относительная энергетика таких процессов и невелика). В ночное время S = 0, и помимо переноса тепла воздушными массами следует учитывать скорость излучения тепла прогретой за день земной поверхностью. Температура же земной поверхности в рассматриваемом приближении оказывается равной

формула         (17)

что позволяет определить широтную зональность значений приземных температур. Если же, наоборот, дано широтное распределение эмпирически измеренных среднегодовых температур, то оказывается возможным определить и среднюю удельную скорость привноса тепла воздушными массами на данной широте. Из рис. 6 видно хорошее совпадение теоретической и эмпирической [5] зависимостей средней температуры воздуха у земной поверхности от географической широты.

Рис.6

Интенсивность солнечного излучения в пересчёте на всю поверхность Земли приблизительно равна 1,11.1024 эрг/с, а с учётом альбедо (приблиз.0,3) до земной поверхности доходит около 7,76.1023 эрг/с. Средняя суммарная мощность тропосферных синоптических процессов на Земле около 3,79.1023 эрг/с, что соответствует почти 50% мощности солнечного облучения, падающего на поверхность Земли. Очевидно, что на этом энергетическом фоне выработка энергии всем человечеством оказывается пренебрежимо малой: 13.1012 ватт = 1,3.1020 эрг/с. Именно поэтому антропогенным энергетическим влиянием на глобальный климат Земли можно смело пренебречь. В этой же связи интересно отметить, что теплозапас земной атмосферы, по нашим оценкам, около 1,3.1031 эрг, теплозапас океана около 1,6.1034 эрг (количество тепловой энергии в «твёрдой» Земле около 1,6.1038 эрг), тогда как выработка тепла всем человечеством – всего 4,1.1027 эрг/год. При снежном покрове с альбедо As > A приземная температура станет:

формула          (18)

Для обобщения модели на трёхмерный вариант необходимо ввести ещё долготный угол, а также обозначить площади океанов и континентов. Наконец, четырёхмерная модель потребует учёта угла наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики, включения сезонных и суточных вариаций освещённости Земли и т.д.

Как следует из выражения (18), рассматриваемая адиабатическая теория парникового эффекта объясняет такие явления, как выхолаживание приземных слоёв воздуха в ясные ночи под антициклонами, когда S = 0, а привнос тепла мал. Действительно, в областях антициклонов обычно заметно замедляется конвективный массообмен воздуха, поэтому снижается и конвективный приток тепла, хотя сохраняется излучение тепла прогретой за день земной поверхностью. В результате уменьшения фактора dQ/dt в выражении (18) в ночное время (S приблиз.0), существенно снижается приземная температура. В зимних же условиях высоких широт, когда земная поверхность покрыта слоем снега с высоким альбедо и её прогрев солнечным излучением оказывается незначительным, это явление приводит к переохлаждению воздуха и наступлению «трескучих морозов». При стоянии устойчивых антициклонов (dQ/dt приблиз.0) в таких заснеженных регионах происходит общее переохлаждение тропосферы, а тропопауза опускается почти до земной поверхности. Яркими примерами могут служить условия, возникающие в центральных районах Антарктиды, чему я неоднократно был свидетелем, а также зимой в Якутии и Верхоянье. Но как только антициклонический режим в тропосфере сменяется циклоническим, сразу же восстанавливается конвективное перемешивание воздушных масс, происходит потепление и в среднем вновь приблизительно восстанавливается рассмотренное здесь адиабатическое распределение температуры.

Таким образом, рассматриваемая модель может позволить получать и локальные климатические характеристики планеты, для чего в неё следует вводить альбедо земной поверхности, привнос тепла циклонами и влажность тропосферы. Фактически в областях с высокой отражательной способностью снежного покрова, лишённых привноса тепла циклонами, температура земной поверхности снижается почти до температуры тропопаузы, определяемой уже радиационным балансом атмосферы на данной широте. В летнее же время в таких антициклонических областях с сухим воздухом, наоборот, происходит перегрев приземных слоев тропосферы приблизительно на 4–5 °С и выше (со всеми симптомами засухи), что часто случается, например, в Заволжских степях.

Некоторые прогнозные оценки

По выражению (7) можно построить распределение температуры и определить её градиент в абсолютно сухой и полностью прозрачной тропосфере Земли. В этом случае сw+сr=0, и по выражениям (9) и (10) находим срcуx = 0,2394 кал/(г.К) приблиз.1,0023.107 эрг/(г . К), альфа = 0,286. Тогда градиент температуры сухой тропосферы равен

gradTcуx = g/cp приблиз. 9,8 К/км.          (19)

Для влажной и поглощающей тепло земной тропосферы, где сw+сrприблиз.0,1203 кал/(г.К) = 0,504.107 эрг/(г . К), градиент температуры находится по выражениям (13) и (14):

формула          (20)

Заметим, что расчёт по формуле (20) косвенно подтверждает и справедливость определений сw и сr, выполненных по выражениям (11)–(14).

На рис. 7 видно, что при равных давлениях приземная температура сухой и прозрачной тропосферы всегда несколько выше, чем у влажной и поглощающей тепло. В нашем примере средняя разность температур достигает +4,7 °С. Этим явлением, по-видимому, следует объяснять повышенные температуры приземных слоёв воздуха и засухи в пустынях аридных поясов Земли, а также в регионах, куда вместе с антициклонами внедряются сухие массы воздуха из таких аридных поясов, например, в степях Заволжья.

Рис.7

Рассмотрим влияние так называемых «парниковых» газов на температуру тропосферы. При мысленной замене азотно-кислородной атмосферы Земли на углекислотную, но с тем же давлением 1 атм, средняя приземная температура понижается (а не повышается, как это принято думать) приблизительно на 2,4 °С, при этом понижаются и температуры во всей толще тропосферы (рис. 8). Обе кривые построены по уравнениям (1) и (5) при ми1 = 29 г/моль; ми2 = 44 г/моль; альфа1 = 0,1905, альфа2 = 0,1423. Аналогично при мысленной замене углекислотной атмосферы Венеры на азотно-кислородную (при том же давлении 90,9 атм), её поверхностная температура повышается с 735 до 930 К. Отсюда видно, что насыщение атмосферы углекислым газом при прочих равных условиях всегда приводит не к повышению, а только к понижению парникового эффекта и средней температуры во всей толще планеты. Объясняется это явление просто: молярная масса углекислого газа в 1,5 раза выше, а его удельная теплоёмкость ср приблизительно в 1,2 раза ниже, чем у земного воздуха. В результате, как это следует из уравнения (9), показатель адиабаты a для углекислотной атмосферы при прочих равных условиях оказывается приблизительно в 1,34 раза меньше, чем для влажного воздуха азотно-кислородного состава. Дополнительное же увеличение поглощения тепла углекислым газом приводит к возрастанию поправочного коэффициента сr и, следовательно, к дополнительному уменьшению показателя адиабаты альфа(СО2), а это, в свою очередь, ведёт к дополнительному снижению температуры.

Рис.8. Осреднённые распределения температуры в земной тропосфере: 1 - азотно-кислородной; 2 - углекислотной

Аналогичное, хотя и несколько меньшее, похолодание должно происходить при насыщении атмосферы метаном.

Физика явления состоит в том, что поглощение парниковыми газами ИК-излучения разогревает воздушные массы, что усиливает передачу тепла путём конвекции.

Итак, подчеркнём ещё раз, что насыщение атмосферы углекислым газом или метаном может приводить только к ускорению конвективного массообмена в тропосфере и к похолоданию, но не к увеличению её средней температуры и потеплению. Кроме того, при одинаковых массах суммарная удельная теплоёмкость углекислотной атмосферы всегда меньше азотно-кислородной. При этом из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и хуже сохраняет тепло на поверхности планеты. На поверку выходит, что общепринятые представления о потеплении климата при накоплении в атмосфере СО2 и других «парниковых» газов являются мифом, реально же накопление СО2 при прочих равных условиях может приводить только к похолоданию климата.

О влиянии антропогенного фактора

По разным оценкам, в настоящее время за счёт сжигания природного топлива в атмосферу поступает около 5–7 млрд т углекислого газа, или 1,4–1,9 млрд т чистого углерода, что не только снижает теплоёмкость атмосферы, но и несколько увеличивает её общее давление. Эти факторы действуют в противоположных направлениях, в результате средняя температура земной поверхности меняется очень мало. Так, например, при двукратном увеличении концентрации СО2 в земной атмосфере с 0,035 до 0,07% (по объёму), которое ожидается к 2100 г., давление должно увеличиться на 15 Па, что вызовет повышение температуры примерно на 7,8.10–3 К. Если же учесть, что большая часть поступающего в атмосферу углекислого газа, по закону Генри, растворяется в океанических водах и далее, при гидратации пород океанической коры, связывается в карбонатах, то оказывается, что вместе с углеродом в карбонаты перейдёт и часть атмосферного кислорода. Тогда вместо слабого повышения атмосферного давления следует ожидать его незначительного уменьшения и, следовательно, слабого похолодания климата (но не его существенного потепления, как это предполагают ортодоксальные экологи). Кроме того, часть углекислого газа при гидратации пород океанической коры восстанавливается до метана [17]. В реальных же условиях, однако, жизнедеятельность растений должна почти полностью компенсировать нарушенное человеком равновесие и вновь восстановить климатический баланс.

Из приведённых оценок следует важный практический вывод: даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу практически не меняют осреднённые показатели теплового режима Земли и её парниковый эффект. Таким образом, бытующие представления о существенном влиянии антропогенных выбросов углекислого газа на потепление климата являются мифом, реально же эти выбросы никак не влияют на климат Земли. Более того, увеличение концентрации углекислого газа в земной атмосфере, безусловно, является полезным фактором, повышающим продуктивность сельского хозяйства и способствующим более эффективному восстановлению растительной массы в районах сведения лесов.

К аналогичным выводам пришли и многие учёные США, изучавшие изменения климата в разных регионах Северной Америки. Бывший президент Национальной академии наук США проф. Ф.Зейтц подготовил петицию учёных правительству США с призывом отказаться от Международного соглашения по глобальному потеплению климата, заключённого в Киото (Япония) в декабре 1997 г., и других аналогичных соглашений. В петиции, в частности, говорится: «Не существует никаких убедительных научных свидетельств того, что антропогенный выброс диоксида углерода, метана или других парниковых газов вызывает или может в обозримом будущем вызвать катастрофическое прогревание атмосферы Земли и разрушение её климата. Кроме того, имеются существенные научные свидетельства, показывающие, что увеличение в атмосфере концентрации диоксида углерода приводит к положительному влиянию на естественный прирост растений и животных в окружающей среде Земли».

Cопоставление осреднённых приземных температур Северного полушария (средней Англии) с магнитной активностью Солнца (по наблюдениям за солнечными пятнами) за период 1750–1970 гг. показывает, что эти температуры прямо коррелируют с графиком солнечной активности. Не следует также забывать, что наблюдаемое сейчас вековое потепление климата началось ещё в начале XVII в., когда о техногенных выбросах углекислого газа в атмосферу не приходилось и говорить. Причём это локальное потепление наблюдается на общем фоне долголетнего похолодания. Общее снижение температуры придонных вод океана (рис. 9 [18]), безусловно, связано с похолоданием земного климата и возникновением около 40–38 млн лет назад в Антарктиде первых ледников и их широким развитием в олигоцене и последующих эпохах.

Рис.9

В плиоцен-четвертичное время начались оледенения и северных регионов, что быстро привело к опусканию температуры придонных вод почти до 0 °С. Общее же снижение температуры за последние 70–60 млн лет, вероятнее всего, связано с удалением из атмосферы части азота и связыванием его в почвах и осадках азотпоглощающими бактериями и органическим веществом. При этом такое общее похолодание климата в настоящее время не компенсируется даже постепенным увеличением светимости Солнца [19]. То же подтверждают и многочисленные современные высокоточные наблюдения, в том числе спутниковые (рис. 10), показывающие обратную картину – слабое похолодание климата [24]. Записи поверхностной температуры (в США) показывают, что 1996 и 1997 гг., как 1938 и 1956 гг., были холоднейшими годами ХХ столетия [21].

Рис.10

 

Влияние океана на содержание углекислого газа в атмосфере

В океанических водах растворено углекислого газа (в форме ионов НСО3–) почти в 59 раз больше, чем его содержится в атмосфере [12]. Можно показать [17], что повышение температуры современного океана на 1 °С приводит к повышению парциального давления СО2 в атмосфере приблизительно на 13,6 . 10–6 атм (т.е. на 13,6 ppm) [ppm – одна миллионная доля. – Ред.], тогда как в периоды четвертичных оледенений с понижением средней температуры океана до 277 К оно равнялось 12,5 ppm. Если же сравнить осреднённые значения парциальных давлений СО2 в ледниковые и межледниковые периоды, то окажется, что их разность может достигать приблизительно 50–52 ppm. Но именно такого порядка разности давлений СО2 и были обнаружены в пузырьках воздуха при бурении антарктического ледникового покрова на станции «Восток» (рис. 11). Интересно отметить, что в тёплый период мелового возраста, когда средняя температура океанических вод могла подниматься до +17 °С (291 К), парциальное давление углекислого газа должно было подниматься до 610 ppm, т.е. в 1,33 раза выше современного.

Рис. 11

Рис. 11. Корреляция изменений концентраций углекислого газа с колебаниями температуры воздуха за последние 420 тыс. лет на антарктической станции «Восток» по керну скважины во льду, пробуренной до глубины 3623 м (время направлено справа налево). Как видно, тренд температурной кривой (штриховые линии) отмечает общее похолодание климата за последние 420 тыс. лет, хотя размах локальных колебаний температуры между ледниковыми эпохами и межледниковыми стадиалами и достигает 10 °С. Ход температурной кривой опережает изменения СО2 приблизительно на 600 лет. Запаздывание кривой СО2 при похолодании климата ещё выше и заметно даже на глаз. В настоящее время мы живем в эпоху снижения температуры и повышения или стабилизации концентрации СО2 в атмосфере

Рассматривая проблемы парникового эффекта, нельзя обойти молчанием и аргументы последователей идеи С.Аррениуса о прямом воздействии концентрации углекислого газа на температуру тропосферы. Да, содержание СО2 в пробах воздуха из древних слоёв фирна Гренландии и Антарктиды показывает, что в периоды межледниковых потеплений концентрация этого газа в атмосфере всегда повышалась. В значительно большей степени этот эффект наблюдался в тёплые климатические эпохи, например, в меловом периоде. Однако, как следует из приведённых данных, сторонники классического подхода явно путали причину со следствием, ведь повышения или понижения парциального давления СО2 в атмосфере являются не причиной, а следствием температурных изменений. При внимательном рассмотрении видно, что кривая температурных колебаний явно опережает соответствующие им изменения концентраций СО2: температурные колебания являются первичными, а изменения содержания углекислого газа в атмосфере – лишь следствие этих колебаний.

Объясняется это отрицательной температурной зависимостью растворимости СО2 в океанических водах и законом Генри, устанавливающим динамическое равновесие между парциальным давлением газа в атмосфере и его концентрацией в гидросфере. Повышение температуры океанических вод приводит к их частичной дегазации и переходу части СО2 из океана в атмосферу, и, наоборот, при похолодании увеличивается растворимость СО2 в океанических водах. Интересно отметить, что задержка изменений концентрации СО2 по сравнению с изменениями температуры на рис. 11 приблизительно соответствует времени полного перемешивания вод Мирового океана (порядка тысячи лет).

Истинные же причины температурных колебаний земного климата надо искать в других процессах и явлениях, например, в неравномерности солнечного излучения (см. рис. 10), в прецессии собственного вращения Земли, в неустойчивости океанических течений или в изменениях их циркуляции, вызванных другими причинами (например, периодическими опреснениями или осолонениями поверхностных вод Арктического океана).

В эволюционном же плане, начиная приблизительно с середины мезозоя (около 150-100 млн лет назад), происходит постепенное похолодание климата. Объясняется это несколькими причинами, в том числе удалением азота из атмосферы и связыванием его в нитратах и нитритах почвенного покрова [19], соответствующим уменьшением массы атмосферы, а также дрейфом континентов в высокие широты. Сейчас мы живем в межледниковом стадиале, но следует ожидать прихода новой фазы оледенения – повышенной суровости.

Именно поэтому проблему изменений земного климата надо решать системно и на базе строгой физической теории, с учётом эволюции состава атмосферы, геологических обстановок, с привлечением данных по колебаниям светимости Солнца, прецессии вращения Земли и океанологических данных, при обязательном учёте существующих в этой сложной системе обратных связей, а не объяснять всё единственной и мнимой зависимостью климата от концентрации в атмосфере так называемых «парниковых» газов.

Естественное происхождение так называемых «озоновых дыр»

Под «озоновыми дырами» обычно понимают участки стратосферы в полярных и умеренных широтах с пониженной приблизительно на 20-30% концентрацией озона. Они возникают в зимне-весенние периоды над местами стояния устойчивых антициклонов, например, в Антарктиде или над Якутией. Связано это с тем, что зимой резко уменьшается солнечная инсоляция, а в полярных широтах она и вовсе пропадает, а над антициклоническими областями происходит подъём воздушных масс и их перетекание в стратосферу, в результате озоновый слой над ними как бы развеивается. Летом же «дыры» резко сокращаются или вовсе пропадают.

Паника возникла только после того, как в конце 50-х гг. XX в. стали количественно измерять содержание озона в атмосфере. Впервые «озоновую дыру» обнаружили в Антарктиде. Вскоре появилась масса предположений об антропогенном влиянии. При этом, правда, оставалось непонятным, почему наиболее глубокие и обширные «озоновые дыры» наблюдаются в Антарктиде, т.е. в Южном полушарии, тогда как максимум антропогенных выбросов фреонов происходит в Северном, а также, чем по сравнению с антропогенными лучше природные фреоны, поступающие в атмосферу в несоизмеримо больших количествах при вулканических извержениях. Однако главными «разрушителями» озонового слоя являются не фреоны, а метан и водород. Так, только по реакциям типа серпентинизации пород океанической коры при их гидратации сейчас освобождается, по оценкам [10], по 6–10 млн т/год, тогда как техногенный выброс фреонов не превышает 100 тыс. т/год. К этому следовало бы добавить многие миллионы тонн метана и водорода, поступающие из почв тектонически активных регионов и тропических лесов, а также метана, выделяемого болотами северных регионов Канады и Евразии. Всего же масса ежегодно поступающих в атмосферу природных газов достигает многих десятков и даже сотен миллионов тонн!

Отсюда можно заключить, что роль антропогенного воздействия на озоновый слой в стратосфере Земли, в котором и возникают «озоновые дыры», пренебрежимо мала – приблизительно на четыре порядка ниже влияния природных факторов. Поэтому все колебания концентрации озона в земной атмосфере носят исключительно природный характер и никак не связаны с деятельностью человека. Как показали А.П.Капица и А.А.Гаврилов [22], концентрация озона в стратосфере меняется с сезонной периодичностью, и ничего страшного в этом нет. Более того, в процессе исследований выяснилось, что на экваторе и в тропических широтах концентрация озона оказалась более низкой, чем в наиболее глубоких «озоновых дырах» приполярных областей. И никакой опасности для жизни на этих широтах не наблюдается. Можно заключить, что нет проблемы «озоновых дыр», на борьбу с которыми, однако, тратятся колоссальные средства. Так, по некоторым оценкам, только на выполнение обязательств по Монреальскому протоколу к Венской конвенции 1985 г. о сохранении озонового слоя Россия должна тратить около 5 млрд долларов в год, а разовый убыток от уничтожения и замены оборудования, использующего фреоны, составляет около 10–15 млрд долларов! Этим деньгам можно найти и лучшее применение.

В заключение хочу выразить благодарность академикам К.Я.Кондратьеву за поддержку идеи, А.С.Монину за обсуждение проблемы и С.С.Григоряну за детальное рассмотрение теории, полезные советы и замечания.

Литература

1. Arrhenius S. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground. – Phil. Mag., 1896, v. 41, 237–276.

2. Будыко М.И. Проблема углекислого газа. – Л.: Гидрометеоиздат, 1997.

3. Глобальное потепление: Доклад Гринпис. – М.: Изд-во МГУ, 1993.

4. Парниковый эффект, изменение климата и экосистемы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

5. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. – М.: Изд-во МГУ, 1994.

6. Хакен Г. Синергетика.– М.: Мир, 1980.

7. Хакен Г. Синергетика. Иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. – М.: Мир, 1985.

8. Атмосфера Земли: Физическая энциклопедия, т. 1. – М.: Советская энциклопедия, 1988.

9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч. 1.– М.: Наука, 1979.

10. Сорохтин О.Г. Парниковый эффект: миф и реальность. – Вестник РАЕН, 2001, т. 1, № 1, 6–21.

11. Фельдбаум А.А. Введение в теорию нелинейных цепей. – М.: Госэнергоиздат, 1948.

12. Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии.– М.: Недра, 1990.

13. Наумов Г.Б., Рыженко Б.Н., Ходаковский И.Л. Справочник термодинамических величин (для геологов).– М.: Атомиздат, 1971.

14. Бачинский А.И., Путилов В.В., Суворов Н.П. Справочник по физике.– М.: ГУПИ, 1951.

15. Планета Венера (атмосфера, поверхность, внутреннее строение). – М.: Наука, 1989.

16. Маров М.Я. Планеты Солнечной системы. – М.: Наука, 1986.

17. Сорохтин О.Г., Леин А.Ю., Баланюк И.Е. Термодинамика океанических гидротермальных систем и абиогенная генерация метана. – Океанология, 2001, т. 41, № 6, с. 898–909.

18. Гладенков Ю.Б. Биосферная стратиграфия: Труды ГИН, вып. 551. – М.: ГЕОС, 2004.

19. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Развитие Земли. – М.: Изд-во МГУ, 2002.

20. Christy J.R., Spencer R.W., Braswell W.D. – Nature, 1997, v. 389, 342–344.

21. Robinson A.B., Baliunas S.L., Soon W., Robinson Z.W. Environmental effects of increased atmospheric carbon dioxide. 1998 [info@oism.org; info@marshall.org].

22. Капица А.П., Гаврилов А.А. Подтверждение гипотезы о естественном происхождении антарктической озоновой дыры. – Докл. РАН, 1999, т. 366, № 4, с. 543–546.


Олег Георгиевич Сорохтин

Олег Георгиевич Сорохтин – выпускник Ленинградского горного института 1951 г., д.ф.-м.н., проф., академик (РАЕН), заслуженный деятель науки РФ, почётный полярник. После окончания с отличием ЛГИ работал в Гидропроекте – проводил гидрогеологическую разведку на «великих стройках коммунизма» (Куйбышевской ГЭС, Туркменском канале). В 1953 г. возвратился в Москву и начал работать в Институте физики Земли. Участвовал в трёх антарктических экспедициях, проводил глубинное бурение и сейсмологические исследования, побывал на полюсе холода, геомагнитном полюсе, открыл полюс недоступности. С 1966 г. работает в Институте океанологии им. П.П.Ширшова АН СССР (РАН). Принимал участие во многих океанологических экспедициях, опускался на дно океана, исследовал подводные вулканы, горячие источники (чёрные курильщики). Имеет более 300 научных трудов, в том числе публикации в журналах «Доклады АН СССР/РАН» и «Nаture». Награждён орденом Трудового Красного Знамени, медалями. Имеет двух сыновей, двух внуков (младшему – год) и внучку. Младший сын – д.г.-м.н., профессор Мурманского госуниверситета (г. Апатиты), член-корреспондент РАЕН.

При упоминании значений физических величин автор использует единицы различных систем, а также внесистемные. Редакция сохранила упомянутые автором единицы. Следует учитывать, что 1 кал 4,2 Дж; 1 эрг = 10–7 Дж; 1 атм = 101,32 кПа.