Глобальное потепление? Не факт. Почему климат может внезапно смениться на похолодание — объясняют уральские физики

Когда мы слышим фразу «изменение климата», у большинства из нас в голове всплывает примерно один и тот же набор картинок: дымящие трубы заводов, бесконечные пробки в мегаполисе, грустный белый мишка на последней льдине и Грета Тунберг, сурово смотрящая нам прямо в душу.

Схема кажется простой и уже набившей оскомину: человечество жжёт уголь и бензин -> в атмосфере копится CO₂ -> планета превращается в парник -> мы все скоро сваримся. Логично? Вполне.

Мы привыкли думать об этом как о медленном процессе. Как будто кто-то очень-очень плавно выкручивает ручку глобального термостата. Сегодня на полградуса теплее, через десять лет — на градус. Неприятно, но вроде бы предсказуемо.

А что, если в системе есть огромный красный рубильник с надписью «Аварийное похолодание»? И дёрнуть его может не человек, а сама природа.

Внезапно.

Без предупреждения.

Вот и учёные из Уральского федерального университета (УрФУ) говорят, что такое вполне может быть — и показали это в своём исследовании (оно опубликовано в журнале Chaos при поддержке Минобрнауки России).

Что за исследование?

Итак, команда физиков из Екатеринбурга под руководством Дмитрия Александрова решила посмотреть на климат, как на сложную, капризную и немного сумасшедшую систему. Они не стали спорить о том, виноват ли человек в потеплении (спойлер: да, виноват), а задались другим, куда более хитрым вопросом: «А что, если системе дадут пинок со стороны?»

Для этого они создали довольно простую, но мощную математическую модель. В неё заложили данные за 5 миллионов лет: температуру океана, массу льдов (и на суше, и в океане), солнечную активность — всё, что обычно учитывают в таких моделях.

А дальше к этим привычным параметрам учёные добавили непредсказуемые вбросы: от серий мега-извержений вулканов (выбрасывающих в атмосферу тучи пепла, который заслоняет Солнце), до тектоники плит и даже падения астероидов.

И модель показала вот что: оказывается, климат Земли меняется не линейно. Это, скорее, система с несколькими состояниями — «жарко», «холодно» и «нормально».

А мощный внешний толчок может буквально выбить климатическую систему из состояния «жарко» и забросить её в состояние «холодно». Причём не плавно, за тысячи лет, а относительно резко.

То есть, возможность внезапно переключиться с глобального потепления на глобальное похолодание — это не баг, а фича нашей планеты.

А как было раньше?

Чтобы не думалось, что это всё выдумки математиков, давайте на секунду заглянем историю нашей планеты.

Климат никогда не был стабильным. За последние пару миллионов лет Земля жила в режиме «ледниковый период — межледниковье». Огромные ледники то наступали чуть ли не до широты Москвы, то отступали обратно к полюсам. Эти циклы длились примерно по 100 000 лет.

Но были и более короткие и резкие качели.

Например, климатический оптимум голоцена (примерно 9000–5000 лет назад). Было заметно теплее, чем сейчас — в Сахаре текли реки, а по тундре бродили стада мамонтов. Именно в этот «золотой век» человечество освоило земледелие и построило первые цивилизации.

А дальше идёт малый ледниковый период (примерно с XIV по XIX век), и тут заметно похолодало. Зимы были такими лютыми, что каналы в Голландии и Темза в Лондоне намертво замерзали каждую зиму — привет картинам Брейгеля. В России этот период тоже оставил свой след в летописях.

Ну, это если вкратце (на самом деле там немного больше всяких периодов, но для понимания этого, думаю, хватит). Фишка в том, что ни один из этих периодов не был точной копией предыдущего. Каждый раз длительность, глубина похолодания или пик потепления были уникальны. Почему?

Потому что на климат влияет бешеное количество факторов: от орбиты Земли и активности Солнца до тех самых вулканов и тектоники плит. Система постоянно находится в движении.

Всё так плохо?

Кто-то тут может сказать, что, мол, человек не может столько делать для глобального потепления... Да и сам же вроде бы только что написал, что такое уже было.

И более того, могу сказать, что мы вообще-то живём в прохладное время (в геологическом масштабе) — в Кайнозойской эре, которая в целом является более холодной, чем, например, Мезозой (эра динозавров), когда на полюсах не было ледяных шапок и по Гренландии бродили крокодилы.

Повторюсь, мы живём в Четвертичном периоде, который характеризуется наличием ледниковых и межледниковых эпох. То есть, само наличие постоянных ледяных шапок в Антарктиде и Гренландии — это признак того, что мы в ледниковом периоде.

Так что, да, если ваш таймлайн — это миллионы лет, то сейчас на Земле довольно-таки свежо. Планета видела времена и погорячее.

Но почему тогда все говорят о потеплении? И вот здесь мы переключаем масштаб с миллионов лет на тысячи и сотни лет — на время существования человеческой цивилизации. И тут картина меняется кардинально.

Главная проблема не в том, что на Земле становится теплее, а в скорости, с которой это происходит. Когда Земля выходила из последнего ледникового максимума (около 20 000 лет назад), средняя температура выросла примерно на 4-5°C за 10 000 лет.

Сейчас мы наблюдаем потепление примерно на 1.2°C всего за 150 лет.

То есть вроде и там, и там рост, но скорость несопоставима. Экосистемы, животные и растения просто не успевают адаптироваться к таким резким переменам. Раньше у них были тысячи лет, теперь — жизнь одного-двух поколений.

И чтобы это подтвердить, у климатологов, как и у палеонтологов (коим и я являюсь), есть свои методы заглянуть в прошлое — например, ледяные керны.

Учёные бурят ледники в Антарктиде и Гренландии на глубину до нескольких километров. В этих слоях льда, как в годичных кольцах, запечатаны пузырьки древнего воздуха. Мы можем достать этот воздух и напрямую измерить, сколько в нём было CO₂, метана и других газов 100, 1000 или даже 800 000 лет назад. А по изотопам кислорода во льду мы с высокой точностью определяем температуру того времени.

Помимо кернов ещё есть донные отложения. В них сохраняются раковины древних морских организмов (фораминифер). Их химический состав тоже зависит от температуры воды.

Да и до кучи есть кольца деревьев, кораллы, пещерные натёки — всё это «архивы», которые позволяют реконструировать климат прошлого.

И все эти независимые друг от друга данные показывают одну и ту же картину: на протяжении последних 800 000 лет концентрация CO₂ в атмосфере колебалась в естественном коридоре (примерно от 180 до 300 ppm). А за последние 150 лет она выстрелила до ~420 ppm и продолжает расти.

Этот скачок — резкая восходящая линия на графике. И он идеально совпадает по времени с промышленной революцией.

А мы-то тут при чём?

Так может ли горстка людей повлиять на целую планету? Да, если эта горстка из 8 миллиардов человек нашла способ достать из-под земли углерод, который природа копила и хоронила сотни миллионов лет (в виде угля, нефти и газа), и сжечь его за двести лет.

Мы, по сути, поломали долгосрочный углеродный цикл планеты и выпустили джинна из бутылки. Это не просто ещё один фактор. Это введение в систему огромного количества вещества, которое должно было лежать в консервации ещё миллионы лет.

Кто-то тут может сказать, что это ничто, по сравнению с извержениями вулканов, например... И вроде даже логично: что могут наши машины и заводы против мощи огнедышащей горы?

Но, как это часто бывает, дьявол кроется в деталях.

Давайте сравним объёмы выбросов. По данным Геологической службы США, NASA и множества других научных организаций, которые десятилетиями мониторят этот вопрос, все вулканы на Земле (и наземные, и подводные) выбрасывают в среднем около 200-300 миллионов тонн CO₂ в год. В годы особо сильных извержений эта цифра может быть выше, но это среднее значение.

А вот человеческая деятельность (сжигание ископаемого топлива, промышленность, вырубка лесов) выбрасывает около 35-40 МИЛЛИАРДОВ тонн CO₂ в год.

0.3 миллиарда тонн и 40 миллиардов тонн. Разница — более чем в 100 раз.

То есть, пока планета пыхтела целый год, мы нагоняем тот же объём к утру 3-го января. И продолжаем в том же духе до 31 декабря. Это принципиально иной масштаб воздействия.

Но когда происходит действительно мощное извержение (типа вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году), оно действительно влияет на глобальный климат. Но основной эффект — это краткосрочное похолодание.

Почему так? Потому что главный климатический агент вулкана — это не углекислый газ, а диоксид серы (SO₂). Вулкан выбрасывает в стратосферу миллионы тонн этого агента. Там это вещество превращается в мельчайшие частицы — сульфатные аэрозоли. Эти частицы работают как гигантское зеркало: они эффективно отражают солнечное излучение обратно в космос, не давая ему нагреть поверхность Земли.

Эффект от извержения Пинатубо был колоссальным: средняя температура на планете в течение следующих полутора лет упала примерно на 0.5°C. Это очень много!

Но этот эффект временный. Через 2-3 года аэрозоли оседают из атмосферы, зеркало исчезает, и всё возвращается на круги своя. А вот наш CO₂ остаётся в атмосфере на сотни лет.

То есть вулканы не являются основной причиной современного постепенного потепления. Тут мы — чемпионы со стократным отрывом.

А как же Солнце? Если климат — это, по сути, энергетический баланс планеты, то нужно в первую очередь смотреть на главный источник энергии — нашу звезду.

И учёные, разумеется, смотрят. Очень пристально. И вот что они видят.

На протяжении большей части истории Земли климат и солнечная активность действительно шли рука об руку. Например, у Солнца есть известный 11-летний цикл активности (цикл Швабе), когда количество солнечных пятен (а значит, и общая светимость) то увеличивается, то уменьшается.

Этот цикл оставляет небольшой, но заметный след в климате Земли. В годы максимума активности планета получает чуть-чуть больше энергии.

Ещё существуют и более длинные, вековые циклы. Самый знаменитый пример — Минимум Маундера (примерно 1645–1715 гг.), когда солнечных пятен почти не было. Этот период удивительно точно совпадает с самой холодной фазой Малого ледникового периода в Европе. Связь кажется очевидной.

Так что да, Солнце — очень важно для нашего климата. И так было до XX века.

А потом что-то сломалось. Примерно с середины XX века пути Земли и Солнца кардинально разошлись. У климатологов даже есть термин — декаплинг, или раскорреляция.

Посмотрите на два графика, которые учёные постоянно сравнивают: график солнечной активности и график глобальной температуры.

С 1960-х годов и особенно с конца 1970-х, когда начались точные спутниковые измерения, общая солнечная активность не растёт. Она продолжает свои 11-летние колебания, но общий тренд — плоский или даже слегка нисходящий. То есть, наше Солнце не стало греть сильнее, а в последние десятилетия даже чуточку ослабло.

В это же самое время температура на Земле начала стремительно расти, причём рост ускорился именно в последние 50 лет.

Но графики — это одно. Есть более фундаментальное, физическое доказательство, и оно заключается в том, КАК именно нагревается атмосфера.

Солнце греет планету снаружи. Если бы оно стало светить ярче, оно бы нагревало всю толщу атмосферы, сверху донизу. И верхние слои (стратосфера), и нижние (тропосфера) становились бы теплее.

Ну а парниковые газы работают иначе. Они скапливаются в нижнем слое атмосферы (тропосфере) и работают как одеяло. Они пропускают солнечный свет вниз, но не выпускают тепловое излучение от Земли обратно в космос.

В результате нижний слой атмосферы (где мы живём) нагревается, потому что тепло заперто, а верхний слой наоборот, остывает, потому что до него доходит меньше уходящего от Земли тепла.

Это и есть то самое доказательство, которые оставляет именно парниковый эффект. Если бы виновато было Солнце, картина была бы совершенно другой.

Можно ли в итоге расслабиться?

Вот тут самый важный и тонкий момент. Прочитав всё это, и сопоставив с выводами учёных из Екатеринбурга, можно сделать соблазнительный, но абсолютно неверный вывод: «А, ну раз планета сама может остыть, то можно забить на все эти электромобили и зелёную энергетику!»

А вот и нет.

Исследование уральских учёных говорит совершенно о другом. Они прямо указывают: наше с вами влияние, то есть антропогенная нагрузка, вряд ли станет тем самым фактором, который сможет переключить климат на похолодание. Наши выбросы — это не астероид. Мы не можем пнуть систему с такой силой.

Наше влияние работает только в одну сторону — на нагрев. Мы продолжаем медленно, но верно подкручивать ручку термостата в сторону «жарко». И тренд глобального потепления, вызванный деятельностью человека, никуда не девается.

Только вот даже если мы сейчас резко сбросим выбросы, это едва ли поменяет глобальную ситуацию с потепления на похолодание. Но есть вещи, которые могут перевернуть всё в один момент. Например, если проснется Йеллоустон — глобальное похолодание наступит за 2–3 года.

И я не говорю, что ледниковый период наступит вот прямо завтра. Но отрицать вероятность резких сдвигов — как игнорировать щелчки двигателя в новом авто.

Мы играем в игру с непредсказуемыми правилами. Концентрация углекислого газа сейчас на самом высоком уровне за 650 000 лет, и мы вправе винить в этом машины, заводы и вырубку лесов. Но климат и правда зависит от сотен факторов: от состояния лесов Амазонии до космической радиации.

Планировать жизнь на 50 лет вперёд, исходя из плавного роста температуры на пару градусов, — это... ну немножечко наивно. В реале может выйти всё вообще не так, как мы предполагаем.

И это исследование УрФУ не для того, чтобы нас напугать или, наоборот, успокоить. Оно для того, чтобы сделать нас умнее.

Ну а если у вас остались вопросы, то задавайте их в комментариях к статье (только на ferra.ru) — постараюсь ответить :)

Такие дела.