В предыдущем выпуске «ТрВ-Наука» Борис Штерн и Игорь Эзау уже дали важные объяснения парниковому эффекту. И мы уже знаем, что СО2 играет чрезвычайно важную роль в регулировании температуры поверхности планеты. Чтобы понять роль углекислого газа в формировании климата Земли, нам придется проделать небольшой экскурс в ее механизм.
// elementy.ru
....
Если в процессе выветривания силикатные породы разрушаются на суше, растворяясь водой, то реками и ручьями или грунтовыми водами они переносятся в океан. После того, как растворенный кальцит и кремнезём достигают океана, морские организмы используют их для формирования своих панцирей и раковин (или скелетов — в случае с кораллами). Их количество регулирует поглощение СО2 из атмосферы и суши.
Да, у Земли существует механизм самобалансирования углерода.
Потоки СО2 в результате выветривания и дегазации малы по сравнению с другими потоками, но если бы они были разбалансированы, например, если бы прекратилась дегазация, весь СО2 в атмосфере был бы израсходован на химическое выветривание за несколько сотен тысяч лет. Земля старше четырех миллиардов, так что, если проследить всю ее историю, можно сделать вывод, что потоки СО2 из продуктов выветривания, идущие в океан, и из дегазации, идущие в атмосферу, должны были быть сбалансированы. Земле удается сбалансировать эти потоки, находя правильную концентрацию СО2, это механизм стабилизации климата, называемый СО2-термостатом силикатного выветривания, или силикатно-карбонатным балансом. Иными словами, химическое выветривание силикатных пород контролирует климат, поглощая атмосферный углекислый газ.
...
Какой бальзам для отрицателей! Получается, что независимо от того, мало или много СО2 в атмосфере, Земля найдет способ сбалансировать последствия?
Да, механизм саморегуляции существует. Но термостат регулирует СО2 и климат в геологической временной шкале в сотни тысяч лет.
На протяжении геологической истории тектонический термостат регулировал баланс углерода в атмосфере. Но не всегда справлялся! Случались на Земле такие процессы, за которыми термостат не успевал. Эпизоды таких поражений заканчивались глобальными вымираниями. Как известно, их было пять. Но после катастрофы механизм перестраивался и возвращал СО2 до концентрации, которая в создавшихся условиях обеспечивала жизнь. И эти концентрации очень сильно отличались друг от друга (рис. 1).
...
Было установлено, что для баланса СО2 в атмосфере после климатического оптимума потребовалось около 50 тыс. лет [3, 4]. За такое время много чего может произойти!
Как мы уже знаем [5], глобально климатом управляют циклы Миланковича, а в процессе смены ледниковий и межледниковий, а также их небольших подвижек — стадиалов и межстадиалов — происходит множество неожиданных отклонений, регулируемых динамикой атмосферы — океана, изменениями в функционировании термохалинной океанической циркуляции, изменением альбедо и многими другими важными факторами, которые мы еще не обсуждали.
...
Медленно дышащая Земля в настоящее время производит дегазацию в основном вулканами Ньирагонго и Ньямурагира в Конго, Попокатепетлем в Мексике и Этной на Сицилии [6], и наблюдение за ними заставляет нас считать, что этот процесс протекает регулярно, хотя и сильно варьирует во времени, добавляя СО2 в атмосферу. Кроме того, сейчас аккумулируется много CaCO3 на дне Атлантического океана, гораздо больше, чем уносится субдукцией, потому что активная субдукция происходит главными образом в Индийском и Тихом океанах. Это означает, что в прошлом скорость субдукции была гораздо выше, чем сегодня, потому что на долгом периоде осреднения колебания СаСО3 должны были быть сбалансированы. Балансируя еще свои старые процессы, погружая в зону субдукции больше СаСО3, Земля будет отдавать гораздо больше СО2 в будущем, чем отдает сейчас, согревая себя еще больше. И всё идет к тому, что силикатно-карбонатный термостат не сбалансирует текущих тенденций к перегреву планеты.
Мы подошли к важному выводу:
зная механизм круговорота углерода, можно изменить установку термостата, создавая парниковый мир, подобный миру динозавров, или холодный мир, подобный сегодняшнему.
Отрицательный баланс углерода — это реакции выветривания, которые поглощают СО2. Горная местность выветривается быстрее, чем плоская равнина, покрытая плодородной почвой, потому что почва изолирует силикатные породы от дождевой воды, необходимой для выветривания.
Растения могут влиять на климат Земли, закачивая СО2 в воздушные поры в почве. Благодаря растениям, концентрации СО2 в почвенном воздухе могут быть в десять раз выше, чем в атмосфере. Дополнительный СО2 имеет тенденцию повышать скорость химического выветривания и потому что СО2 является компонентом реакции выветривания, и потому что СО2 оказывается кислотой, которая растворяет горные породы.
...
Термостаты Венеры и Марса сломаны [10].
Как видите, термостат планет Солнечной системы может быть сломан. Земле и нам вместе с ней повезло, у нас термостат работает, запущенный тектоническими процессами, он регулирует содержание углерода в разных ее резервуарах, поддерживая жизнь.
...
Очевидно, что мы не можем остановить тектонический термостат Земли, но можем его поломать.
Как? Разве наших малых сил может хватить на то, чтобы помешать такой махине?
...
Тот факт, что климат Земли оставался благоприятным для жизни по крайней мере последние 3,5 млрд лет несмотря на значительное увеличение солнечной светимости, как раз и объясняется более высокими концентрациями СО2 в атмосфере в прошлом, которые стабилизировали климат [3, 9].
В атмосфере Земли СО2 уступает только воде по своим свойствам парникового газа. Но как мы уже знаем, в атмосфере его предельно мало, особенно по сравнению с водой, которая считается парниковым газом номер один. Мы должны разобраться теперь, почему даже при незначительных концентрациях СО2 в нынешней атмосфере Земли он оказывается основным, да еще и антропогенным фактором изменения климата.
...
Что происходит с углекислым газом после того, как он попадает в атмосферу?
Углекислый газ сначала быстро распределяется между атмосферой, верхними слоями океана и растительностью. В атмосфере он распределяется, управляемый конвекцией, согласно влажному адиабатическому падению температур с высотой (см. объяснения в прошлом номере [5]). В сущности, разница температур на поверхности Земли и в высоких слоях тропосферы и задают парниковый эффект.
Молекула воды в свою очередь взаимодействует с ИК-излучением в очень широком спектральном диапазоне. Поэтому вода является очень сильным парниковым газом [12].
Тогда что выдвигает СО2 на первую роль по сравнению с водой, если воды много и она очень мощный парниковый газ, а СО2 мало и он действует только в узком диапазоне?
Согласно известной нам формуле Юри, углерод продолжает перемещаться между различными резервуарами глобального углеродного цикла, такими как глубокий океан, горные породы и почвы. Некоторые из этих перемещений происходят очень медленно. В зависимости от количества выделяемого СО2, в атмосфере его будет оставаться от 15% до 40% на срок от 10 до 2000 лет [12], после чего устанавливается новый баланс между атмосферой, биосферой и океаном.
СО2 долговечнее в атмосфере, чем все остальные газы. За время своего пребывания в атмосфере он согревает ее, усиливая парниковый эффект водяного пара, и суммарно поглощает и излучает больше ИК-радиации, чем все остальные газы вместе взятые.
Чтобы понять это последнее утверждение, нам нужно разобраться в графике на рис. 5.
Рис. 5. Сплошная линия — это смоделированный спектр инфракрасного излучения, выходящего в космос в верхней части тропосферы. Для сравнения, пунктирные линии представляют собой спектры черного тела при разных температурах. Если бы на Земле не было атмосферы, исходящий спектр выглядел бы как спектр черного тела для 270 K, между показанными спектрами 260 K и 280 K. Атмосферное окно составляет около 850–1000 циклов/см, где газы не поглощают и не излучают инфракрасный свет. СО2, водяной пар, озон и метан поглощают инфракрасный свет, излучаемый землей, и излучают инфракрасный свет меньшей интенсивности на больших высотах, где воздух холоднее, чем на поверхности [10]
Как парниковый газ взаимодействует с земным излучением? Для ответа обратимся к Дэвиду Арчеру [10]:
«На рисунке гладкие кривые показывают спектры черного тела для температур в диапазоне от 300 К, температуры поверхности в жаркий летний день, до 220 К, что является примерно самым низким значением температур на верхней границе тропосферы на высоте около 10 км. Ломаная линия показывает интенсивность излучения, которую инфракрасный спектрометр увидел бы, находясь на орбите над Землей и смотря вниз. Спектр излучения, покидающего Землю, уходящего в космос, колеблется между двумя различными спектрами черного тела: самым теплым около 270 К и самым холодным около 220 К. Части спектра, в особенности широкая, гладкая часть около 850–1000 циклов/см, соответствует теплому спектру черного тела. Так как не бывает газов в атмосфере, которые поглощают или излучают на этой частоте, значит, этот ИК-свет исходит непосредственно от Земли. Поскольку парниковые газы в атмосфере прозрачны для инфракрасного света в этой полосе частот, этот диапазон называется атмосферным окном» (см. рис. 5).
Температурные кривые черного тела подобны шкале температуры на термометре. По этой шкале можно определить температуру инфракрасного источника по его интенсивности.
Вы видите на рис. 5 большой провал в спектре, вызванный СО2 около 700 циклов/см. ИК-излучение и его поглощение являются симметричными, поэтому СО2 поглощает интенсивный, «теплый» спектр ИК от Земли на этой частоте и повторно излучает ту же частоту, возникает диффузия фотонов, из-за которой во внешних слоях атмосферы фотонов меньше, соответственно температура и интенсивность излучения снаружи меньше. Атмосфера получается «оптически толстой» в диапазоне частот изгиба СО2 и «оптически тонкой» в атмосферном окне. График построен таким образом, что площадь под кривой спектра пропорциональна общему потоку энергии. Можно судить об изменении энергии в соответствии с изменением площади. Площади кривых абсолютно черного тела возрастают пропорционально температуре в четвертой степени по уравнению Стефана — Больцмана. Это работает также с «ломаным» спектром, представляющим общую потерю энергии планеты в космос. Эффект полосы поглощения состоит в том, чтобы уменьшить спектр черного тела поверхности Земли, уменьшая площадь и, следовательно, уменьшая поток восходящей энергии.
...
Эффект «насыщения полосы»
Рис. 6. Демонстрация насыщения полосы СО2. Добавление 10 ppm СО2 (вверху справа) имеет огромное значение для спектра уходящего инфракрасного света относительно атмосферы, в которой нет СО2 (вверху слева). Увеличение СО2 до 100 и 1000 частей на миллион (нижние панели) продолжает влиять на спектр, но получается меньшая отдача от добавленного СО2, когда концентрация СО2 становится выше [10]
На рис. 6 показаны результаты серии прогонов модели для различных концентраций СО2 в атмосфере в диапазоне от 0 до 1000 ppm. Атмосфера 2010 года содержала ~390 ppm СО2 [13]. Без СО2 атмосфера была бы прозрачной для света в диапазоне около 700 циклов/см, как в атмосферном окне. Добавление первых 10 ppm СО2 оказывает довольно заметное влияние на форму спектра исходящего света, происходит резкий V-образный врез вниз от спектра. Когда концентрация СО2 увеличивается до 100 и 1000 ppm, центр пика переходит в кривую черного тела к чуть более холодной температуре, чем 220 К, и не становится глубже, когда концентрация СО2 повышается до 1000 ppm. Это эффект насыщения полосы, где под полосой понимается диапазон частот, поглощенных СО2.
...
Из всех парниковых газов только вода конденсируется и выпадает в осадки.
Таким образом, неконденсирующиеся парниковые газы, на которые приходится 25% общего земного парникового эффекта, обеспечивают стабильную температуру, которая поддерживает уровень атмосферного водяного пара и облаков через обратные связи, т. е. регулирует оставшиеся 75% парникового эффекта [13]. Без радиационного воздействия, в основном создаваемого СО2, земной парник разрушится.
...
Насыщение полосы поглощения приводит к тому, что эффективная оптическая толща углекислого газа с увеличением его концентрации растет не линейно, а примерно логарифмически — так «работают» края полосы. Это значит, что
величина парникового эффекта (то есть в конечном счете и наша температура воздуха) меняется одинаково с каждым удвоением СО2. Не имеет значения, сколько его было вначале, 10 или 100 гигатонн, радиационный эффект от удвоения 100 или 1000 ppm будет тот же.
Задуматься нужно над тем, что у нас очень мало СО2 в атмосфере сейчас. И удвоить его очень легко. Если бы мы переселились к динозаврам, то сделать это было бы практически невозможно. Вот тут и разгадка, почему в меловом периоде было так много СО2, «и ничего»! В этом смысле человечеству повезло, что оно пришло в мир с СО2 в 270 ppm, если бы оно было ниже, антропогенные температуры росли бы еще стремительнее.