Мы или не Мы, вот в чём вопрос или роль человека в глобальном потеплении. Доклад на ХI Региональной научно практической конференции студентов и школьников "Эколого-метеорологические проблемы на планете Земля"ЭКОМЕТ".
методическая разработка

 Мы или не Мы, вот в чём вопрос

или

роль человека в глобальном потеплении.

Учёные-климатологи говорят про современные глобальные изменения климата. И что эти изменения связаны с антропогенной деятельностью. Скептики смотрят на этот график и говорят: “Смотрите, температура менялась 50 млн лет назад, а 100 млн лет назад она была даже выше, чем сейчас. Вот эти изменения туда-сюда, откуда там человеческая деятельность. Сотни миллионов лет назад никакого человека не было, климат менялся, и сейчас тоже он меняется, ровно потому же, почему он менялся тогда. Человеческая деятельность не влияет!”.(Рис.№2)

Посмотрим на скорость изменения температуры и особенно на пик в правой части графика. В прошлом изменения происходили за миллионы или за десятки тысяч лет, и хоть температура вырастала выше чем сегодня, она никогда раньше не изменялась настолько стремительно. Рост температуры, в прошлом можно сравнить со скоростью пешехода, а современный со скоростью самолёта. Влияет человек или нет, чем оперируют учёные-климатологи. Какими фактами, и какими доказательствами.

Когда мы говорим о климате, то есть о земной климатической системе. Мы говорим о совокупности пяти оболочек.(Рис.№3) Кроме атмосферы, это гидросфера, биосфера, криосфера (ледники), литосфера. То есть это не только атмосфера, не только средняя погода. В науке это некие оболочки, которые связаны друг с другом различными процессами взаимодействия, которые происходят на разных временных масштабах. Масштаб времени очень важен, когда мы говорим о климате. Например, если мы говорим о том, как будет меняться климат в ближайшие 5-10-15 лет, мы можем забыть о процессах в криосфере, в литосфере, отчасти в биосфере и брать только верхний слой океана и атмосферы. Но если мы говорим об изменении климата на временах порядка 10.000 лет, или например, 100.000 лет, мы должны включать в рассмотрение все оболочки, и в какой-то мере забывать об атмосфере, потому что атмосфера уже становится неким средним объектом. И так далее.

Факторы, определяющие климат. 

Климатическая система — это система, у которой есть внешние факторы и внутренняя изменчивость.(Рис.№4) И у этой системы нет воздействия на внешние факторы, например на Солнце наш климат никак не влияет, тоже и на вулканы. И есть внутренние факторы. Например, долгопериодная изменчивость океана, или литосферы, влияет на более короткие периоды изменчивости в атмосфере.

Вот человек, это какой фактор, внешний или внутренний? Где-то до 1980-1990 годов мы были скорее внешним фактором по отношению к климатической системе. На действия человека, не было ещё обратной связи. Нам было неважно, как меняется климат. Мы продолжали делать то, что мы делаем: вырубали леса, сжигали ископаемое топливо. Но где-то с 1980-1990 годов ситуация стала меняться, пришло понимание, что климат меняется из-за нас, и надо как-то наши шаги рассчитывать с учётом этого. Мы стали становится неким внутренним фактором, и все следующие шаги уже корректировать, относительно изменения климата.

Важно, почему мы связываем современные изменения климата с человеческой деятельностью? Во-первых, мы видим быстрый рост концентрации парниковых газов.(Рис.№5) С середины XX века на Мауна-Лоа стоит станция, которая измеряет концентрацию СО2, это фоновые наблюдения. СО2 хорошо перемешанный газ, и наблюдения в одной точке довольно точно говорят о том, как меняется концентрация CO2 на всей планете.

И что они говорят? То, что за последние 70 лет концентрация выросла примерно на 40%.

Видим два графика: график наблюдений и график восстановленный палеореконструкцией. Законсервированные в леднике пузырьки воздуха, восстанавливают, и смотрят их химический состав. Так удалось восстановить ледниковые колебания до 800 тысяч лет в прошлое, и увидеть ледниковые и межледниковый циклы. Концентрация CO2 и  изменения температуры менялись в одной фазе. То есть, тепло было в межледниковье — там было больше CO2. А в ледниковый период CO2 было меньше. Справа есть вертикальная черта, такая как и на слайде в начале, это то, что мы сейчас наблюдаем. Эта абсолютно вертикальная черта на графике — это беспрецедентный рост, по крайней мере, для последнего миллиона лет.

Тут может возникнуть возражение: “Рост СО2, может быть это никак не связано с деятельностью человека”. Здесь учёные должны выступать  как дактилоскописты. Нужно найти отпечатки пальцев, которые оставил человек в этом CO2. Такие опечатки легко находятся: это, изотопный состав. Дело в том, что изотопный состав CO2 меняется, становится меньше изотопа С13 и меньше изотопа С14. Но на С14, начиная с 60-х годов, смотреть нельзя, потому что там были ядерные испытания(Рис.№6) нижний график, но С13 по-прежнему продолжает уменьшаться. Дело в том, что в ископаемом топливе содержится меньше изотопов С13 и почти не содержится изотоп С14. Растения в процессе фотосинтеза предпочитают усваивать лёгкий углерод C12, поэтому в ископаемом топливе, которое, по сути, является отмершими растениями, С13 меньше, чем в других оболочках климатической системы (в океане или в известняках).

В принципе, сокращение изотопа С13 это второй график сверху, начавшееся и совпадающее в тот же период, когда были большие эмиссии, второй график снизу, когда росла концентрация, говорит нам о том, что это вот те самые отпечатки пальцев человеческой деятельности. То есть мы знаем, что этот СО2, который (C12) дополнительный в атмосфере, связан с сжиганием ископаемого топлива.

Выросло СО2, и что?

Дело в том, что СО2 — парниковый газ, такие газы усиливают парниковый эффект. И можно чётко рассчитать, сколько дополнительного тепла приходит к каждому метру поверхности земли(Рис.№7). Расчёты дали результат 2 Вт/м², это  дополнительное  антропогенное воздействие. Это парниковые газы.

Аэрозоли — это мельчайшие твердые или жидкие частицы, которые при сжигании углеводородного топлива попадают в атмосферу. Они охлаждают климат, отражая часть солнечного света обратно в космос. И они  сдерживали потепление в 1970-1980 годы, когда в атмосферу попадало много и CO2, и аэрозолей. Эти два эффекта друг друга компенсировали. Потом в различных странах были приняты законы о чистом воздухе. Необходимо было противодействовать  фотохимическому смогу в Лондоне, в Лос-Анджелесе и в других местах. Аэрозолей стало меньше попадать в воздух, про CO2 ничего подобного принято не было, до Киотского протокола и  Парижского соглашения. СО2 по-прежнему попадал в воздух. В этот период растет его концентрации и происходит ускорение потепления.

В 2015 году напрямую померили, сколько приходит радиации на поверхность Земли  от CO2, в узких спектральных каналах. График справа, серый — это концентрация CO2, красный — это сколько приходит непосредственно Вт/м² дополнительного тепла от CO2, который мы сжигаем.  Мы видим приход дополнительного тепла к поверхности.

Очень важный момент, про который надо обязательно сказать — это обратные связи. А дело в том, что CO2 раскачивает нашу климатическую систему таким образом, что включаются обратные связи. В атмосфере действует огромное количество таких связей на разных временных масштабах, к сожалению, большинство из них — положительные. То есть, большая часть их усиливает воздействие, которое мы оказываем. Из них  самое важное связано с водяным паром: чем теплее воздух, тем больше водяного пара он может содержать. Водяной пар — важный парниковый газ, 70% парникового эффекта приходится на водяной пар, 25% на углекислый газ. Но водяной пар — ведомый, а CO2 ведущий. Когда мы повышаем температуру, воздух может содержать больше водяного пара, его больше испаряется с поверхности океана, а больше водяного пара в воздухе усиливает парниковый эффект: температура растёт, ещё больше испаряется водяного пара, и так далее. Это и есть положительная обратная связь. В числах она означает следующее: при увеличении  концентрации CO2 в 2 раза, температура возрастает в 2,5 раза.

Механизм действия парникового эффекта.

 Энергонакопление в океане

 Рассмотрим слайд 8. (Рис.№8). Наблюдение за  энергонакоплением в океане   проводится с середины 1950-х годов. Здесь синие и красные линии — просто аномалии. Это не значит, что синее — океан отдавал, а красный — накапливал.

Другими словами сколько тепла накапливается в океане. Ноль — это средняя между 1981-ым и 2010 годами. Видим два разных периода, когда аэрозоли и парниковые газы  друг друга компенсировали. Когда  были приняты  законы о чистом воздухе, и в конце 1980-х аэрозоли стали слабее воздействовать на климат, пошло быстрое накопление тепла в океане.

Сейчас скорость накопления тепла в океане 9 зеттаДжоулей в год. За 2022 год количество запасенного тепла в верхних слоях вод Мирового океана выросло до рекордной отметки в 255 зеттаджоулей, что на 10,9 зеттаджоуля больше, чем в 2020 году, эта информация опубликована в журнале Advances in Academic Science.

 ЗеттаДжоуль — это 10 в 21 степени Джоулулей, то есть очень много. Проще говоря: в океане за каждый месяц накапливается тепла столько, сколько человечество производит за год.

Меняется много в различных оболочках на нашей планете: тает лёд, тают горные и покровные ледники. Но вот интересный момент, как при этом меняется температура. У поверхности земли растёт, это справа верхняя картинка. А справа нижняя картинка — это температура в области мезопаузы — это 80 км высота атмосферы, между стратосферой и мезосферой. Там температура падает. Эти данные получены в  Институте физики атмосферы. Наблюдения проводятся с 1960-х годов. Дело в том, что парниковый эффект как раз так и работает: он нагревает то, что под ним, что содержится под слоем основной концентрации CO2, и охлаждает то, что сверху. Туда просто меньше тепла уходит. Если бы,  работало Солнце, то изменения были бы в  одном направлении.                                                                                                              Ещё важный момент. Созданы численные модели, с 1970-х годов они уже трёхмерные(Рис.№9). Эти модели назывались раньше модели климатических систем, сейчас они называются модели земной системы, потому что  включают в себя ещё и ледники, и процессы в биосфере. Это не просто атмосфера и океан, это уже именно климатическая большая система. Этакая “Модель планеты Земля”. И они могут воспроизвести современное потепление, только если учтут все факторы, включая антропогенные. И не могут воспроизвести современное потепление, если учтут только естественные факторы.

С восьмидесятых годов такие модели используются и уже можно посмотреть, сбываются ли прогнозы? Несмотря на то, что они были  не такие точные как сейчас.

Прогнозы сбываются. На графике чёрным показаны наблюдения, разноцветными линиями показаны различные прогнозы.  Например: Экономисты дают прогноз того, как будет меняться общество, сколько будет эмиссии CO2 через 40 лет. Метеорологии и климатологии этого не знают и информацию дают экономисты. Они говорят: как будет меняться энергопотребление, как будет меняться энергетика стран,как будет меняться землепользование. Всё это загоняется в модель, дальше выдаётся некая температура. Как видно, тренд очень хорошо улавливается. Еще Михаил Иванович Будыко (один из самых авторитетных климатологов XX века) в 1972 году выпустил первую статью, где достаточно четко показал рост, который сейчас наблюдается в действительности. То есть первые модели прогноза действительно оправдываются. Понятно, что болтанка от года к году не воспроизводится, это не прогноз погоды, это климатическая проекция.

Что ещё может быть кроме антропогенного воздействия.

 Это Циклы Миланковича(Рис.№10). Важна естественная изменчивость, которая приводила в течение последних 3 млн лет к смене ледниковых и межледниковых циклов. Это действительно так. У нас орбита Земли не круглая, а эллиптическая, и этот эллипс то сжимается, то расширяется с периодичностью  100 тыс. лет.

У нас шарик наклонён не всегда на 23,5 градуса. Ось тоже колеблется с периодом порядка 40 тыс лет. Кроме того, если мы запускаем волчок,  то ось волчка будет  ходит по кругу. Это так называемая прецессия.  Там тоже есть несколько циклов колебаний порядка 20 тыс лет. Это всё учитывается в моделях. Проблема в том, что эти процессы происходят на протяжении тысяч лет. А вот как это изменяется сейчас…

На графике  в середине 1950-ый год, и каждый шаг — это тысяча лет(Рис.№11). Не год, а тысяча лет! Если  посмотрим на то, что происходит на сотне, — это просто будут три прямые линии. Три прямые линии — задаются в модель.

Эти астрономические циклы, не могут объяснить, например, изменение изотопного состава углерода то есть  сокращение С13 и  С14.

Циклы солнечной активности.(Рис.№12). .

Вот они — известные циклы на Солнце.  Сейчас мы ожидаем в середине XXI века новый  минимум, как его называют, малый ледниковый период. Связан он с уменьшением солнечной активности. Это как раз будет минимум 100-летнего цикла солнца.

Солнечная активность сейчас идёт на спад. (Рис.№13).На этом слайде показано изменение которое сейчас происходит на солнце, оно равно 0.2 Вт/м2 по сравнению с антропогенным воздействием 2.3 Вт/м2.

Следующий момент — галактические лучи(Рис.№14). Что известно ?

Физики и астрономы говорят, какие процессы воздействуют на Землю. Это поток энергии от Солнца и от вспышек сверхновых, плюс  ещё высокозаряженные частицы, это протоны,в меньшей степени электроны и заряженные ядера, в основном гелия. И это идёт как шум — галактические лучи. Они достаточно хорошо экранируются магнитосферой Солнца. Чем более активно Солнце, тем меньше космических лучей к нам приходит. Вот тут в принципе видно, что они идут в противофазе и  нет никакого тренда.                                                                                                                                              А как могут быть связаны галактические лучи и климат? Была выдвинута достаточно разумная гипотеза галактические лучи, попадая в атмосферу, становятся аэрозолями. Они становятся ядрами конденсации, на которых потом образуются облака, и облака отражают часть солнечных лучей в космос, охлаждая климат.

А  влияют ли вулканы, и вот такой прекрасный график (Рис.№15), как растёт вулканическая активность начиная с XV века. Всё бы ничего, но есть очень важная приписка: “Не используйте этот график вне контекста и посмотрите на детали”.

А детали заключаются в том, что у нас растёт и количество известных нам вулканов, и количество населения.  Рост вулканизма является просто следствием того, что мы стали лучше знать о вулканах. Это инструментальный тренд и ничего более. Увеличилось количество вулканов, которые мы знаем (линия сверху). На самом деле никакого реального роста вулканизма не наблюдается.

(Рис.№16). Сколько же вулканы дают в год CO2? Вулканы дают 53 млн тонн в год CO2. А сколько даёт антропогенная деятельность? 35 млрд тонн в год. Там 53 миллиона, а тут 35 миллиардов.

Если мы посмотрим на самые крупные извержения последних лет — Пинатубо в 1991 году — 42 млн тонн CO2. И в 1991 году антропогенная деятельность — 23 млрд опять же. Разница в 3 порядка. Это если вы сравните, условно, два мешка с углём и железнодорожный вагон. Примерно такое же соотношение получается между тем, что дают вулканы, и тем, что даёт человек.К сожалению, мы гораздо сильнее, чем вулканы.

Тепло Земли.

А внутреннее тепло? Есть разломы в океане, где идут струи  температура которых  400 градусов. В моделях это учитывается(Рис.№17), но проблема в том, что суммарный поток этого эндогенного тепла — 0,09 Вт/кв.м. Вот эндогенное тепло — это 0,09 Вт/м²”. а антропогенный [вклад] — это 2,3 Вт/м². Опять у нас огромная разница. Есть ещё один интересный момент, который сейчас обсуждается, — это смещение магнитного полюса(Рис.№18). Магнитный полюс начал достаточно быстро смещаться сейчас из Канады в Сибирь. Пока мы не знаем причины этого. Есть североамериканская магнитная ложбина и североазиатская над северной Евразией. Они друг у друга перетягивают этот полюс туда-сюда. И сейчас он стал быстро стремиться в сторону России,  по прогнозам  в 2030-35 году он  будет  в наших морях. Будет ли это очередной политический скандал покажет время.

Но на самом деле если мы посмотрим, как смещался полюс за всё историческое время, то он прыгал всё время по Арктике, туда-сюда. И сегодняшняя скорость — сопоставима с тем, что было раньше.

Предполагается два пути, как смещение полюса может воздействовать на климат. Первый эффект — это, возможно, через магнитную гидродинамику смещения каких-то океанических течений. Но магнитное поле очень слабое для того, чтобы изменить течение. Скорее, связь будет через облака, опять же через те самые галактические лучи. Дело в том, что основные высыпания заряженных частиц происходят на полюсах — там, где поле магнитное самой Земли более слабое. Именно там происходит основное влияние на облачность.

Пути решения.

Что можно предпринять, в борьбе с глобальным потеплением. Даже если мы сейчас полностью прекратим эмиссию CO2, всё то дополнительное количество, что уже попало в атмосферу, будет уходить несколько тысяч лет. Половина уйдёт через 30 лет, через 100 лет уйдёт ещё 30%, а оставшиеся 20% будут уходить очень долго, и с этим нам придётся жить. То есть, даже быстро прекратив все эмиссии, мы не сможем остановить глобальное потепление, но мы сможем его замедлить.

Очень важно, замедлять или не замедлять? Или адаптироваться? Эти вопросы, пойдут и к экономистам. Сколько денег потратим на адаптацию? Сколько денег потратим на смягчение? Есть сумма денег, которая тратиться на смягчение, и сумма денег, которую мы потратим на противодействие. Необходимо эти суммы сложить и минимизировать, как функцию. Сделать это для каждой страны, а потом — для всего мира. Этот вопрос уже отчасти решён на том уровне, что мы знаем. Надо смягчать и пытаться удержать глобальное потепление в пределах 2 градусов. В этом  нам должен помочь процесс фотосинтеза .Практически у всех видов растений рост концентрации углекислого газа в воздухе приводит к активизации фотосинтеза и ускорению роста [ ], причем как надземных, так и подземных их частей .Повышение концентрации СО2 в атмосфере приводит к тому, что растения начинают более активно его поглощать, однако деятельность человека по уничтожению лесов сводит на нет эту естественную саморегуляцию системы.

На данный момент в нашей стране, можно сделать следующие шаги:

• прекратить рубки в малонарушенных лесах и объявить их национальным лесным наследием России;
• Увеличить объём лесопосадок.
• прекратить коммерческие рубки в защитных лесах природного происхождения;
• не допускать незаконных рубок;
• усилить систему защиты лесов от пожаров и вредителей;
• восстанавливать, выращивать и снова рубить леса на тех участках, где это уже делали:                                                            
• максимально использовать заготовленную древесину, прежде всего для производства изделий с продолжительным сроком службы, и древесные отходы для производства биотоплива; развивать использование недревесной продукции и услуг леса (лекарственные растения, ягоды, грибы, туризм, отдых и др.);
• использовать лучшие технологии лесозаготовки, максимально сохраняющие лесную среду и биоразнообразие.    Повышать экологическую и социальную ответственность лесопромышленных компаний.

Источники

1.Погодная обсерватория на Мауна-Лоа. Википедия.

2. Смена полюсов.  https://www.meteovesti.ru/news/63712355096-magnitnyj-polyus-zemli-dvizhetsya-bystree

3.Фотосинтез  https://scienceforum.ru/2019/article/2018014210

4.  Циклы Миланковича. https://meteoinfo.ru/glossary/4654-milankovitch-cycles

5.  Галактические лучи http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e083.htm

 6. История с климатом Химия и жизнь. С.А Кувалдин . https://hij.ru/read/6545/

7. Настоящие" причины глобального потепления. Александр Чернокульский. Ученые против мифов .