Самоорганизация в формировании климата

Понятие климата возникло еще в Древней Греции (от греч. klima — наклон). Термин был введен древнегреческим астрономом Гиппархом. Люди уже тогда понимали, что погодные условия зависят от наклона земной поверхности к солнечным лучам. До XIX в. считалось, что климат определяется высотой Солнца над горизонтом. В соответствии с этим выделяли несколько климатических поясов (12 или 36), границы которых проходили почти параллельно экватору, но средние погодные условия в этих поясах все равно отличались. А.Гумбольдт (1845) определил, что «климат — специфическое свойство атмосферы, которое зависит от непрерывного совместного действия подвижной поверх-

ности моря, изборожденной течениями противоположных температур, излучающей тепло сушей, которая определяет громадное разнообразие в отношении своей орографии, окраски и состояния покрова». К климату относится то, что не может быть выражено в терминах погоды.

Погода — это совокупность значений метеорологических параметров в любой момент времени в данной точке пространства. Существует предел предсказуемости погоды в 2 — 3 недели.

Под климатом понимают усредненные во времени характеристики, сейчас обычно за это время выбирают 100 лет. Оказалось, что столетние средние данные одинаково устойчивы для всей планеты, поэтому сам климат считается глобальной характеристикой. Вековые изменения приписывают изменению климата. На протяжении человеческой жизни (в среднем 75 лет) климат почти не меняется, поэтому погода рассматривается как нечто колеблющееся около постоянной синусоиды времен года, и заметить изменчивость климата удалось только науке. Климатическая система включает компоненты, находящиеся между собой в сильной взаимной зависимости: океан, атмосферу, поверхность суши, биосферу. И для описания климата Земли нужно знать совокупность статистических характеристик всех компонент системы. Период метеонаблюдений порядка 100—150 лет, а спутниковые виды наблюдений еще более недавние. Проследить за историей климата Земли можно только по очень ограниченному числу показателей или косвенных признаков.

Для человечества существенна зависимость от климата. И хотя в XXI в. возможно преодолеть последствия таких аномалий, зависимость от климата не ослабевает. Да и человеческая деятельность стала оказывать влияние на климат. Так, климат вблизи созданных водоемов уже отличен от климата окружающих мест, меняется газовый и аэрозольный состав атмосферы, все меньше остается лесов, появляются пустынные или заболоченные территории. Рост населения земли и развитие цивилизации требуют увеличения потребления энергии, сырья, продовольствия, расширения пахотных земель и т.д., что способно существенно повлиять на изменение климата на больших пространствах. Наука климатология призвана использовать знания о климате и его изменениях при планировании и управлении хозяйственной деятельностью, но пока она не способна однозначно оценить последствия суммарного воздействия на климат факторов естественного и антропогенного происхождения.

В 1967 г. была начата подготовка международной научной Программы исследования глобальных атмосферных процессов при поддержке ООН. Она должна была обеспечить долгосрочные прогнозы погоды на 3 — 5 дней и на средние сроки (2 — 3 недели). К началу 80-х гг. была принята Всемирная климатическая программа, которая предусматривала три состав-

ляющих: сбор данных о климате и использование этих данных на практике, исследование влияния климата на деятельность человека; изучение изменений климата под влиянием природных и антропогенных факторов. Несмотря на важность изучения климата только в середине XX в. наука начала переходить от описания климата к объяснению его.

Для климата важна величина солнечной энергии, приходящаяся на единицу поверхности Земли за сутки. Световая мощность, попадающая на единичную площадку, или освещенность, пропорциональна косинусу угла между направлением на источник света и нормалью к площадке и обратно пропорциональна квадрату расстояния — солнечная постоянная; а — среднее расстояние до Солнца. Расстояние до Солнца в течение года меняется в пределах 3,3 %, т. е. разница в освещенности Земли примерно 7 %. Угол наклона площадки к Солнцу меняется каждый час, день, год и зависит от широты местности. Из-за большой теплоемкости земной поверхности, особенно покрытых водой участков, остывание за ночь не очень велико, и солнечная энергия, поступающая за сутки, — важнейшая характеристика климата данной широты. Тепловые характеристики — важные параметры климатической системы. Отражательные свойства поверхности фиксируются таким параметром, как альбедо поверхности; важны тепловые свойства поверхности, теплообмен атмосферы с подстилающей поверхностью суши и океана, уровень океана, положение ледников и т.д. Математические модели общей циркуляции атмосферы позволяют восстановить режим климатической системы с учетом этих факторов в различные времена года. Использование численных экспериментов с разными типами моделей циркуляции атмосферы позволяет усовершенствовать модели климата и уточнить картину изменений климата.

Знание эволюции климата важно для понимания процессов его изменения. Основную информацию дают геологические и палеонтологические данные, дополняемые данными археологии и истории, относящимися к последнему периоду истории Земли. Для эпохи голоцена используют сведения из архивов и летописей. По данным палеонтологии восстановили вид поверхности суши, ее ландшафта, растительности, орографии, температуры поверхности океана. Для количественных характеристик климата прошлого используют методы геохимии. Изотопный анализ позволил выделить в истории Земли несколько крупных ледниковых эпох; последний был около 650 млн лет назад. Были периодические похолодания и потепления, менялся состав атмосферы. Более надежные данные о климате есть лишь за последние 2 млн лет, когда формировалась биосфера (четвертичный период). Тогда температура Земли была порядка 15 °С и колебалась при переходе от ледниковых эпох к межледниковым в пределах 5—10 °С. За этот период были и длительные оледенения ( по 70 — 120 тыс. лет), и более

короткие межледниковые периоды ( по 15 — 20 тыс. лет). Данные термины вовсе не означают, что Земля была в этот период полностью покрыта льдом или свободна от него.

Методами спектрального анализа различных косвенных климатических показателей были выделены три периодичности колебаний климата. Период в 100 тыс. лет связан с таким же периодом колебания эксцентриситета орбиты Земли, период в 40—43 тыс. лет — с периодическими изменениями наклона экватора к плоскости орбиты, а период в 19 — 23 тыс. лет — с прецессией орбиты. Таким образом, отмеченная периодичность связана с изменениями приходящей на Землю солнечной энергии, вызванными колебаниями орбиты нашей планеты. Начало истории цивилизации приходится на последний межледниковый период, начавшийся около 10—15 тыс. лет назад, — голоцен. За этот период климат неоднократно менялся. Около 7 — 8 тыс. лет назад, когда наступило потепление после ледникового периода, растаял сначала скандинавский ледяной покров, затем — льды в Северной Америке, а 4,5 тыс. лет назад — лабрадорские льды. Отступила на север граница зоны вечной мерзлоты. Озеро Чад имело размеры Каспийского моря, а уровень воды в нем превышал уровень воды Каспия на 40 м. Около 4 тыс. лет назад стало холоднее и суше, и многие субтропические зоны стали превращаться в пустыни (в Сахаре, Аравии, в долине Инда). Ряд цивилизаций переместились на возвышенности и долины рек Тигра, Евфрата и др. Потепление отмечалось в VIII —XII вв., потом в XIV—XIX вв. — похолодание, а сейчас — потепление. Деятельность человека вносит все большие коррективы в ход этих процессов.

Излучение Солнца во время своего образования было на 30 % слабее нынешнего, и потом светимость Солнца стала возрастать пропорционально времени. Этот так называемый парадокс молодого Солнца должен быть сказаться на климате планет: если бы атмосфера 4 млрд лет назад была такой, как сейчас, то она находилась бы в замороженном состоянии еще 2 млрд лет назад. Но данные по изучению осадочных пород этого не подтверждают. По крайней мере, 3,8 млрд лет назад на Земле уже были океаны, поэтому должна была измениться и земная атмосфера. Планеты земной группы, вероятно, когда-то были похожи друг на друга. Они состояли почти из одинаковых пород, имели сходные по составу атмосферы и были достаточно большими, чтобы удержать воду на поверхности. Разница в климате возникла из-за разного круговорота углекислого газа при обмене им между корой и атмосферой. Как и водяной пар, углекислый газ — газ парниковый, так как он, пропуская солнечный свет, поглощает теплоту планеты и переизлучает часть ее к поверхности. Расчеты, проведенные на ЭВМ, показывают, что умеренный климат Земли обязан своим происхождением особенностям механизма газового обмена: при

остывании планеты количество углекислого газа в атмосфере увеличивается, и наоборот. Марс потерял способность возвращать газ в атмосферу, потому он «заморожен», Венера, наоборот, не имеет механизма выведения углекислого газа из атмосферы, а Меркурий вообще не способен удержать атмосферу, и Солнце определяет температуру его поверхности.

Климат менялся вместе с эволюцией планет. Предполагают, что в отдаленном прошлом был значительный парниковый эффект, и аммиак (эффективный поглотитель инфракрасного излучения) мог бы создать более теплый климат на Земле, если бы составлял сотые доли процента воздуха. Но под действием света аммиак разлагается на азот и водород — газы, не создающие парникового эффекта, и он должен был все время выделяться из недр планеты для сохранения теплоты. Углекислый газ не так быстро разрушается светом, его достаточно много на Земле (хотя в атмосфере его давление всего 30 Па, но наличие его в карбонатных породах достаточно для создания давления и в 6 • 10⁶ Па). Если бы в первоначальной атмосфере Земли его было даже несколько тысяч Паскалей, то создаваемого им парникового эффекта было бы достаточно для того, чтобы вода не замерзала. По оценкам М. Хартра, снижение содержания С0₂ в атмосфере происходит со скоростью, компенсирующей возрастание светимости Солнца. Сравнивая аналогичные расчеты для разных расстояний от Солнца, он получил, что при расстоянии от Солнца меньше 1 а. е. на 5 % атмосфера нагрелась бы настолько, что океаны испарились бы в результате разгоняющегося парникового эффекта, а на расстояниях, больших на 1 %, — разгоняющего оледенения, т.е. только в узкой полоске расстояний между 0,95 и 1,01 а. е. Земля смогла избежать этой катастрофы климата.

Этот режим саморегуляции, или отрицательной обратной связи, обеспечил нашей планете устойчивость климата. Вряд ли появление жизни на Земле в таком узком кольце Солнечной системы — это случайность. Скорее всего, содержание С0₂ менялось в соответствии с изменением температуры поверхности Земли. Эта обратная связь могла обеспечиваться карбонатно-силикатным геохимическим циклом, который способен отвечать за 80 % обмена С0₂ между планетой и ее атмосферой на временных интервалах более 0,5 млн лет.

Началом цикла карбонатного метаболизма можно считать растворение атмосферного углекислого газа в водяных капельках и образование угольной кислоты. Дождевые осадки разрушали горные породы, состоявшие из соединений кальция, кремния и кислорода. Угольная кислота вступала в реакцию с породами на поверхности, высвобождая ионы кальция и бикарбоната, которые поступали в грунтовые воды, а затем в океан, где оседали в скелетах и раковинах планктона и других организ-

мов, состоящих из карбоната кальция (СаС0₃). Останки этих организмов откладывались на океанском дне, формируя осадочные породы. Дно моря расширялось, через много тысяч лет эти породы приблизились к краям континентов. Дно подтягивало их под берег, они попадали в земные недра, где на них действовали давление и температура. Карбонат кальция соединился с кремнием, образуя силикатные породы и выделяя углекислый газ. Газ вновь попадал в атмосферу через извержения вулканов и сре-динно-океанические хребты. Цикл завершился (см. рис. 10.3, б).

Изменения температуры земной поверхности влияют на количество С0₂ в атмосфере и величину парникового эффекта. Пусть по какой-то причине на Земле стало прохладнее. Тогда меньше воды испарится из океана, меньше выпадет дождей, уменьшится эрозия почвы, вызванная осадками. Для С0₂ уменьшится скорость покидания атмосферы, а скорость регенерации в процессе карбонатного метаболизма и поступления в атмосферу останется на прежнем уровне. Будет накапливаться С0₂, усилится парниковый эффект и восстановится более теплый климат. Если по какой-то причине на Земле произойдет потепление, обратная связь сработает в другую сторону, и равновесие установится. Предположим, что все океаны вымерзли, дожди прекратились, содержание С0₂ в атмосфере возросло. При современной скорости выделения его давление в 10⁵ Па создается за 20 млн лет, такого количества углекислого газа хватит на поднятие средней температуры до +50 °С. Значит, льды растают, и восстановится нормальный для жизни климат.

В круговороте углекислого газа большую роль играют организмы, определяющие изменения климата. Около 20 % С0₂, не участвующего в карбонатно-силикатном обмене, выводится из атмосферы фотосинтезирующими растениями. При гниении растений и окислении в почве накапливается С0₂, и его оказывается в почве больше, чем было 400 млн лет назад до появления растений. Поэтому превращение силикатных материалов в осадочные карбонатные породы происходит быстрее. По расчетам исчезновение растений повысило бы температуру на 10 °С за счет отрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.

Во многих геохимических процессах, в том числе в круговороте азота, углерода и серы, ключевую роль играют бактерии. Если бы эти процессы прекратились, то почва, атмосфера и вода стали бы непригодны ни для каких форм жизни, поэтому эти примитивные одноклеточные организмы можно назвать организаторами жизни на Земле. Увеличение температуры и возросший парниковый эффект создали бы на Земле климат, который был в середине мелового периода 100 тыс. лет назад: теплый и подходящий для некоторых форм жизни (включая и динозавров). По расчетам только водяной пар, дающий сейчас наибольший вклад в парниковый эффект, не мог бы обеспечить стабильные тепловые условия на планете при меняющейся светимости Солнца.

Если бы подобные процессы существовали на Марсе, они не смогли бы удержать климат в достаточно узких пределах. В атмосфере Марса углекислый газ создает давление только в 600 Па, что позволяет обеспечить парниковый эффект на уровне 6 °С. Фотографии, полученные станциями «Маринер» и «Викинг», подтвердили, что поверхность Марса покрыта каналами, которые могли образоваться при выходе на поверхность глубинных вод, когда на Марсе было теплее. Геологи не определили, насколько когда-то температура Марса была выше. Может быть, тогда было больше (раз в 100) углекислого газа, обеспечивающего парниковый эффект. Но Марс меньше Земли по массе почти в 10 раз, и круговорот СО₂ должен быть слабее. Оценки возраста каналов по количеству покрывающих их метеоритных кратеров показывают, что он старше 3,8 млрд лет. Замедление процесса круговорота С0₂ произошло из-за механизма возврата газа в атмосферу, поскольку на Марсе, вероятно, не была столь выражена тектоника плит. Вулканическая лава покрывала карбонатные остатки, они погружались на глубины, где под действием давления высвобождался газообразный С0₂, и по оценкам, так могло продолжаться примерно 1 млрд лет. Видимо, Марс из-за меньших размеров охлаждался быстрее, чем Земля: у него было меньше внутренней теплоты, которую он из-за большего отношения площади поверхности к объему скорее терял, его недра охлаждались, теряя способность высвобождать углекислый газ из пород. Углекислый газ из атмосферы постепенно накапливался в грунте, планета становилась все тоньше, меняя климат, и сейчас Марс имеет воду только в замороженном виде.

На Венере почти нет воды. Одни ученые считают, что ее там было не больше, чем нужно для образования гидратированных минералов, так как Венера образовалась из слишком горячей части туманности; другие — что воды было почти столько, сколько и у Земли, но она, попав в верхние слои атмосферы, распалась под действием солнечного света, а водород улетучился в космическое пространство.

Концепцию разгоняющегося парникового эффекта предложил Хойл (1955). Сейчас считается более подходящей теория влажного парника, так как при давлении 10⁵ Па и водяного пара, и углекислого газа водяной пар занял бы 50 % объема, и большая часть его покинула бы атмосферу. Воздух в такой атмосфере охлаждался бы медленно, на высотах около 100 км образовалась бы холодная ловушка (слой, где низкая температура и высокое давление создают минимум точки насыщения). В ней и происходила бы фотодиссоциация воды, а из-за расположения ее на большой высоте водород ускользал бы в Космос. Для сравнения: у Земли такая ловушка расположена на высоте между 9 и 16 км (вблизи границы тропосферы и стратосферы), поэтому наш водяной пар успевает сконденсироваться, стратосфера оказывается сухой, не позволяя улетучиться водороду. Так к своему сухому и горячему состоянию пришла атмосфера Венеры. Если там и были океаны, они постепенно бы испарились, прекратилось образование карбонатов, С0₂ стал накапливаться в атмосфере. Газообразные соединения серы хорошо растворяются в воде. Сначала их

было мало, но затем они стали накапливаться и образовывать облака из серной кислоты, из которых сейчас состоит атмосфера Венеры. К ней приходит солнечного света почти вдвое больше, чем к Земле, но ее кислотные облака отражают до 80 % света, и она получает теплоты и света от Солнца меньше, чем Земля. При отсутствии парникового эффекта Венера была бы не намного теплее Марса и холоднее Земли.

Светимость Солнца растет примерно на 1 % в 100 млн лет, т.е. через 1 млрд лет на Земле могут возникнуть условия, угрожающие существованию жизни и сохранению воды на ней. Многие из механизмов отрицательной обратной связи, которые способствовали стабилизации климата на ней в течение 4,5 млрд лет, могли бы действовать и на другой планете, расположенной дальше от Солнца в расширенном современными расчетами коридоре до 1,5 а. е., или на Марсе, будь он побольше сам и будь побольше его атмосфера. Итак, уже найдена полоса условий существования жизни для обнаруженных у какой-то звезды планет. Поверхность Земли пока представляется нам «космической чашкой Петри», где жизнь может зародиться и эволюционировать к достаточно сложным формам.