27.05.2017
Глобальное потепление: история в лицах и фактах

Первые сторонники и оппоненты. Разочарование и забвение

 

Гипотезу Аррениуса и Хогбома поддержал их стокгольмский коллега — метеоролог Нильс Экхолм, известный работами по изучению движения облаков, возглавлявший шведскую геофизическую экспедицию на Шпицберген, а в дальнейшем избранный директором Центрального Метеорологического Бюро Стокгольма. В 1901 году он оптимистично писал [10], что в будущем, меняя количество сжигаемого угля и регулируя рост растений, человек сможет целенаправленно влиять на содержание углекислоты в атмосфере, устанавливать желательный температурный режим планеты и избежать наступления новых ледниковых периодов.

 

Идея влияния концентрации углекислоты на процессы формирования и таяния ледников всерьез заинтересовала также именитого американского геолога и гляциолога Томаса Чемберлина (T.С. Chamberlin).

 

Он возглавлял геологическое отделение Чикагского университета, был основателем Американского Журнала Геологии, автором ряда учебников и монографий, а также составителем детальной карты расположения ледников на территории Северной Америки [11]. Кроме ледников, его волновали проблемы происхождения Земли и Луны и формирования атмосферы, смена геологических эпох, история появление гор и океанов, причины колебания температуры и влажности. Чемберлин был убежден, что все эти явления взаимосвязаны. Гипотеза Аррениуса, предлагавшая принципиально новое объяснение смены ледниковых и теплых эпох — как следствие изменения состава атмосферы, естественно встраивалась в систему его взглядов. Он включил ее в курсы своих лекций и, по-существу, стал ее пропагандистом.

 

Между тем довольно скоро после публикации Аррениуса — в 1900 году — появилась статья, в которой утверждалось, что выводы Аррениуса о влиянии углекислого газа на климат Земли, ошибочны. Автором статьи был другой шведский ученый — профессор Кнут Ангстрем (Knut Angström)[12] из университета города Упсала. Ангстрем занимался измерением поглощения инфракрасного излучения в кювете, заполненной смесью паров воды и углекислого газа [12].

 

Выводы, сделанные им на основе этих измерений, оказались весьма неутешительными для Аррениуса. Во-первых, Ангстрем обнаружил, что вода и углекислый газ поглощают практически в одной и той же спектральной области; а поскольку концентрация воды больше, то прибавка небольшого количества углекислого газа мало что изменит[13]. А во-вторых, что еще более важно, пересчитав свои результаты на условия, соответствующие атмосферным, т. е. на толщину слоя атмосферы и концентрации в ней воды и CO2, он пришел к заключению, что в области полос поглощения этих газов всё проходящее излучение полностью поглощается уже при нынешнем их содержании в атмосфере. Причем поглощается полностью даже в слое значительно меньшем, чем высота атмосферного столба.

 

Ну а коль скоро и так поглощается 100%, то добавление еще какого-то количества углекислого газа вообще ничего уже не изменит. Иными словами, Ангстрем пришел к заключению, что парниковый эффект при нынешнем составе атмосферы является насыщенным. Следовательно, колебания количества углекислоты не могут привести к заметному изменению парникового эффекта и температуры планеты, а следовательно не могут быть причиной наступления ледниковой эры или, наоборот, ее окончания.

 

Когда Чемберлин узнал о выводах Ангстрема, он был страшно разочарован и горько сожалел о том, что доверился авторитету Аррениуса. До конца жизни — он умер в 1928 году — Чемберлин считал себя жертвой аррениусовской ошибки. Он писал об этом в письмах друзьям и коллегам. Постепенно и другие ученые отвернулись от работы Аррениуса.

 

Однако, я не случайно назвал эпоху Фурье, Тиндалла и Аррениуса «старыми добрыми временами» Это не только дань сентиментальным и ностальгическим чувствам. Я имел в виду и нечто конкретное. А именно: каковы бы ни были плоды деятельности этих исследователей, никаких сомнений в их честности не возникало и не могло возникнуть в то время. Даже если результаты или выводы их работ вызывали сомнения или возражения современников, даже если бы они действительно оказались ошибочными, в девятнадцатом веке никому и в голову не пришло бы объяснять это чем-то иным, чем честными заблуждениями. Даже Чемберлин, разгневанный Аррениусом, врядли имел к нему претензии морального свойства. А в принципе, честные заблуждения настоящих ученых небесполезны и в конечном счете тоже вносят свой вклад в процесс познания. Ибо, как сказал Луи де Бройль, «полезно поразмыслить над ошибками, сделанными великими умами, поскольку они часто имели серьезное основание, чтобы их сделать».

 

Другая важная черта той эпохи — академический характер исследований. Политики и средства массовой информации значительно меньше, чем ныне, интересовались тем, что происходит на университетских кафедрах и в научных лабораториях. Теоретические работы о парниковом эффекте, о роли тех или иных парниковых газов были известны лишь очень узкому кругу лиц. Начавшиеся вскоре бурные события — первая мировая война, революции в России и Германии, Великая Депрессия в Америке и вовсе отодвинули науку на периферию общественного внимания. Казалось, что интерес к проблеме влияния углекислого газа на климат Земли окончательно утрачен, а идея Аррениуса тихо упокоилась на библиотечной полке.

 

Эффект Каллендера

 

Однако в конце 30-х годов идея вновь заявила о себе, можно сказать, возродилась как птица Феникс, только не из пепла, а из библиотечной пыли. Произошло это благодаря усилиям английского инженера и исследователя по имени Гай Стюарт Каллендер (Gay Stewart Callendar) [13].

 

В отличие от своих маститых и знаменитых, увенчанных академическими лаврами предшественников — Тиндаля, Аррениуса, Чемберлина, Гай Каллендер был более скромной, хотя и нетривиальной личностью. Происходил он, впрочем, тоже из профессорской семьи. Его отец — Хью Каллендер — возглавлял кафедру физики сначала в Мак-Гилл университете в Монреале, где прославился созданием первой в Канаде рентгеновской установки и получением первых рентгеновских снимков, а также другими техническими изобретениями. Популярность его в Монреальских научных кругах была настолько велика, что когда он покинул Канаду, чтобы занять должность профессора в университетском колледже в Лондоне, сменивший его в Монреале молодой Эрнст Резерфорд писал домой, как тудно ему завоевывать авторитет после столь успешного предшественника.

 

Каллендер-младший начал свою деятельность с того, что ассистировал отцу в лаборатории. Затем волонтером участвовал в Первой Мировой войне (несмотря на то, что был слеп на левый глаз — результат несчастного случая в детстве), и даже служил во флоте в качестве специалиста по акустическому обнаружению подводных лодок. После войны и завершения образования, Каллендер в течение ряда лет занимался исследованиями свойств водяного пара, был одним из составителей так называемых Steam Tables — таблиц, содержащих сведения о характеристиках водяного пара в широком диапазоне давлений и температур.

 

В начале тридцатых годов Каллендер познакомился с работами Тиндаля и Аррениуса. Идея Аррениуса произвела на него большое впечатление, и он задался целью ее проверить. Он оказался человеком чрезвычайно настойчивым и целеустремленным. Достаточно сказать, что в своем доме на собственные средства он устроил метеорологическую станцию и в течение многих лет регулярно вел и регистрировал наблюдения. Главное же, что он сделал, состояло в следущем.

 

Во-первых, он проанализировал имеющиеся данные об углеродном цикле и пришел к выводу, что содержание углекислого газа в атмосфере повысилось от 292 ppm в 1900 году до 310 ppm в 1936 году (т.е. ~ на 6%) и что эта разница близка к количеству CO2, выделившегося при сгорании углеводородного топлива за этот же период. Кстати, по данным Каллендера, уже в 1938 году промышленные выбросы углекислого газа составили 4500 миллионов тонн, а за полвека с начала индустриальной эпохи — 150000 миллионов тонн.

 

Во-вторых, он собрал и систематизировал данные измерений температуры на двухстах метеорологических станциях в различных районах Земли приблизительно за полвека (с 1980 по 1930 год) и пришел к заключению, что в течение этого периода температура Земли ежегодно повышалась в среднем на 0.005 градуса.

 

Однако, обнаружить одновременный рост температуры и концентрации углекислого газа — это полдела. Надо было еще доказать, что первое является следствием второго. Для этого Каллендеру пришлось обратиться к вопросу о поглощении и испускании инфракрасной радиации, тому самому, анализируя который Ангстрем подверг уничтожительной критике работу Аррениуса.

 

Выше мы отмечали, что у Ангстрема было два «убийственных» аргумента: 1) полосы паров воды и углекислого газа в инфракрасной области полностью перекрываются; 2) уже при нынешнем содержании этих газов в атмосфере имеет место полное поглощения ИК радиации, а потому прибавка углекислого газа ничего не прибавит. Каллендера это, однако, не смутило. Он не полемизирует напрямую со статьей Ангстрема, но, по существу, отвергает приговор, вынесенный Ангстремом работе Аррениуса.

 

Каллендер уже знал, что более точные измерения, выполненные на приборах с более высоким спектральным разрешением показали, что в действительности полосы паров воды и углекислого газа полностью не перекрываются; и есть области спектра, где углекислый газ поглощает сильнее, чем вода. Кроме того, в районе от 8 до 12 микрон существует так называемое «окно прозрачности» атмосферы, где мало поглощение обоих газов[14].

 

Что же касается второго аргумента Ангстрема, то Каллендер его не то чтобы опроверг, но, можно сказать, обошел. Он избрал такую схему расчетов, при которой вычислял не количество тепла, поглощенное атмосферой, а так называемое «инфракрасное излучение неба» (sky radiation)[15]. При он мысленно разбивал атмосферу на слои и считал, что при прохождениии потока излучения слой, поглотивший порцию излучения и нагретый этим излучением, становится источником излучения для следующего слоя и т.д. Позднее в работах других авторов с помощью более детально разработанного, но в принципе подобного подхода было показано, что благодаря наличию верхних разреженных слоев атмосферы добавка парникового газа должна приводить к увеличению суммарного поглощения атмосферы даже в области максимумов полос этого газа.

 

Используя свои данные о приросте содержания углекислого газа, Каллендер вычислил соответствующее этому приросту увеличение «инфракрасного излучения неба», а с помощью этой величины рассчитал прирост температуры, который оказался равным ~ 0.003ºС в год, что находится в удивительно хорошем согласии с приведенной выше величиной 0.005.

 

Однако точность измерений «излучения неба» вообще, а в то время в особенности, врядли могла быть высокой, как и точность использованных Каллендером значений коэффициентов поглощения углекислого газа. Так что указанное согласие представляется скорее случайным.

 

Все эти данные Каллендер изложил в статье «The artificial Production of Carbon Dioxide and Its Influence on Temperature», опубликованной в 1938 году в журнале Quarterly Journal of Royal Meteorological Society [8]. Эта работа стала первой, где утверждалось, что потепление климата, которое Аррениус лишь гипотетически допускал, уже реально происходит и что рост температуры коррелирует с ростом содержания углекислого газа. Вероятно, поэтому усиление парникового эффекта за счет антропогенного выброса CO2 в атмосферу некоторые авторы стали называть «эффектом Каллендера». Заметим, что это произошло за 10 лет до рождения Альберта Гора, за 7 лет до образования ООН и за 30 лет до образования IPCC.

 

Сообщение Каллендера на заседании королевского метеорологического общества о результатах его работы было встречено весьма прохладно. Ему был задан ряд вопросов, ясно показавших недоумение и недоверие членов этого общества, большинство которых не понимало физических основ парникового эффекта, но зато лучше Каллендера владело конкретной климатологической информацией, хорошо понимало, насколько сложным объектом является атмосфера Земли и как много процессов, происходящих в ней, осталось за пределами чрезвычайно упрощенной схемы Каллендера, и потому не верило в точность приведенных в работе количественных оценок. Нелишне заметить, что одним из критиков был весьма уважаемый и влиятельный британский метеоролог Сэр Джордж Симпсон, занимавший в течение ряда лет пост директора метеорологического офиса Лондона, а позднее — пост президента Королевского метеорологического общества. Основной причиной климатических изменений на Земле Симпсон, как и некоторые другие метеорологи, считал циклические изменения расстояния от Земли до Солнца[16].

 

Каллендера это не остановило. В последующие годы он опубликовал еще несколько работ на ту же тему. В дальнейшем и эти работы подвергались сомнениям и критике. Характерно, что аргументы нынешних критиков теории GW (о них — см. далее) в значительной степени повторяют то, что Каллендер услышал семьдесят лет назад на заседании Метеорологического Общества Великобритании. Стороны остались на тех же позициях.

 

Джеймс Флеминг — автор книги о Каллендере — пишет, что, размышляя о причинах скептического отношения многих метеорологов к идее антропогенного изменения климата, Каллендер называет четыре причины:

 

1. Идея одного-единственного, легко объясняемого фактора, способного вызывать всемирное изменение климата, кажется невероятной тем, кто знаком со сложными силами, от которых зависит климат.

 

2. Мысль о том, что человеческая деятельность может существенно повлиять на столь сложную систему, для многих неприемлема.

 

3. Авторитетные метеорологи прошлого были настроены против этой идеи, главным образом, потому что пользовались неверными экспериментальными данными о спектре поглощения паров воды, а также потому что не изучили проблему до такой степени, которая требуется, чтобы о ней судить.

 

4. Подобная идея никогда не приходила в голову им самим.

 

Скепсис окружающих Каллендера не остановил. В 1939 году он публикует статью «The Composition of the Atmosphere through the Ages», в которой описывает цикл углерода в атмосфере на протяжении веков, исследуемых геологами. В 1941 году публикует обзор спектроскопических измерений парниковых газов — углекислого газа, воды, закиси азота и озона. В 1949 году появляется его статья с многозначительным вопросом в названии «Can Carbon Dioxide Influence Climate?» и, естественно, положительным ответом на этот вопрос.

 

Несмотря на твердую убежденность Каллендера в реальности корреляции между потеплением и увеличением антропогенной эмиссии углекислого газа, о нем нельзя, пользуясь нынешней терминологией, сказать, что он был «алармистом»[17]. Он не считал зарегистрированное им потепление вредным или опасным явлением. Наоборот, он полагал, что небольшое повышение температуры может улучшить климат северного полушария и способствовать расширению областей выращивания овощей и фруктов. Более того, писал, что это потепление в будушем может задержать на неопределенное время наступление очередного ледникового периода, а это, конечно, тоже благо.

 

Длительное время Каллендер защищал свою позицию практически в одиночку. Кто-то из журналистов уже в наши дни сказал о Каллендере: «A lone voice in the greenhouse (одинокий голос в парнике)».

 

По словам Дока Сноу, опубликовавшего биографический очерк о Каллендере, его герой был растерян и глубоко опечален, когда в начале 50-х годов отстаиваемое им потепление неожиданно сменилось волной похолодания, между тем как эмиссия углекислого газа продолжала возрастать. Вскоре Каллендер умер.

 

Однако его работы сделали свое дело. Джин глобального потепления (я имею в виду не явление природы, а научную гипотезу) вырвался из бутылки. Спустя десяток лет он нашел приют в лабораториях нескольких американских университетов, при финансовой поддержке военно-морского ведомства США.

 

Некоторые сведения из физики парникового эффекта

 

Прежде чем продолжить наш экскурс в историю, уточним некоторые факты, необходимые для понимания физических основ простейшей версии парникового эффекта земной атмосферы, базирующейся на работах Фурье, Тиндаля и Аррениуса, и дополним ее лишь минимумом более современной информации.

 

Любое тело с температурой, отличной от абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение. Положение максимума интенсивности этого излучения зависит от температуры. Максимум излучения Солнца, яркостная температура поверхности которого приблизительно равна 5780º K, находится в видимой области спектра (длина волны ~ 0.5 микрона). В этой области атмосфера практически прозрачна, и значительная часть солнечных лучей достигает земной поверхности, поглощается ею и нагревает её[18]. Земля, в свою очередь, также отдаёт энергию путём излучения; однако температура Земли в среднем всего около +15º С (или 288 К), поэтому максимум её излучения смещен в инфракрасную область (длинa волны ~ 15 микрон). И это излучение уже сильно поглощается атмосферой. По современным оценкам, не будь парникового эффекта, температура Земли была бы приблизительно(— 18)º С (255 К), то есть на ~ 33º ниже нынешней.

 

В настоящее время земная атмосфера в заметных количествах содержит следующие газы:

 

Азот 78.08 %

Кислород 20.95 %

Пары воды 1 ÷ 4 % (вблизи поверхности)

Аргон 0.93%

Углекислый газ 0.039%

Неон 0.0018%

Гелий 0.0005%

Метан 0.00018%

Водород 0.00005%

Окислы азота 0.00003%

Окись углерода (СО) 0.00001%

Озон 0.000007%

 

В еще меньших количествах присутствуют окислы серы и фторхлоруглероды (фреоны).

Вклад того или иного газа в парниковый эффект определяется не только его концентрацией, но и тем, способен ли он поглощать инфракрасное излучение Земли, а если способен, то насколько эффективно. Эффективность, в свою очередь, определяется интенсивностью полос поглощения газа и их расположением относительно максимума излучения Земли. Чтобы сравнить с этой точки зрения перечисленные газы, нужно знать, какова природа полос поглощения молекул в ИК области спектра. Подробное рассмотрение спектроскопического аспекта проблемы парникового эффекта не является задачей данной статьи. В принципе же этот вопрос очень важен, и, к сожалению, не во всех публикациях излагается корректно.

 

Примером публикаций, где это сделано достаточно корректно, более полно и при этом на уровне, доступном большинству читателей, являются статьи [6,16]. Ниже курсивом приводятся некоторые сведения из этих статей.

 

Поглощение энергии инфракрасного излучения молекулами газа происходит в тех случаях, когда под действием излучения возбуждаются либо колебания атомов в молекуле друг относительно друга, либо вращение молекулы как целого. На языке квантовой механики это означает, что происходят переходы на возбужденные колебательные или вращательные уровни энергии молекулы. Расстояния между соседними колебательными уровнями в шкале энергий намного больше, чем между вращательными. Соответственно, и частоты колебательных переходов (то есть величины колебательных квантов) намного больше частот вращательных. Поэтому полосы поглощения, соответствующие колебательным переходам, расположены в ближней и средней инфракрасной области спектра (длины волн от ~ 2 до 25 микрон), а полосы или, как обычно говорят, линии вращательных переходов — в дальней ИК области (длины волн от 25 микрон вплоть до микроволнового радиодиапазона).

 

Помимо возникновения чисто вращательного спектра, вращение молекул в газовой фазе приводит также к тому, что полосы поглощения, соответствующие молекулярным колебаниям, в газе состоят из большого числа линий, соответствующих комбинированным колебательно-вращательным переходам, то есть одновременному возбуждению колебания и вращения. Отсюда происходит термин колебательно-вращательные полосы. Расстояния между линиями вращательного спектра и колебательно-вращательных полос больше для легких молекул, чем для тяжелых.

 

Для иллюстрации на рисунке 6 приведен спектр поглощения атмосферного воздуха в слое около десяти сантиметров[19]. По оси абсцисс отложены принятые в молекулярной спектроскопии единицы — волновые числа ν, равные 1/λ, где λ — длина волны. Пунктиром показан расчетный спектр излучения абсолютно черного тела при температуре 288 К (15°С), приблизительно предтавляющий ИК излучение Земли. Хорошо видно, что полосы воды состоят из многих узких линий. Полоса CO2 в районе 2350 см-1 (4.25 микрон) выглядит как дублет из двух широких компонент. Но это впечатление обманчивое. Просто расстояние между линиями полосы CO2 меньше, чем полосы H2O. Спектр, снятый с более высоким разрешением — 0.25 см-1 — в правом верхнем углу рисунка — показывает, что на самом деле и в этом случае полоса состоит из отдельных узких линий.

 

 

Спектр поглощения воздуха (разрешение 4 см-1) и спектр излучения абсолютно черного тела при температуре 288 К

 

Спектр в таком тонком слое, разумеется, не дает адекватного представления о величине реального поглощения многокилометрового слоя земной атмосферы. Но кое-что все же можно заметить. Например, то, что в условиях, когда хорошо видны полосы паров воды и двуокиси углерода, никаких полос иных газов, относящихся к категории парниковых, не видно. Их поглощение настолько слабее, что увидеть его в таком слое без специальных ухищрений невозможно. Стало быть их вклад в парниковый эффект меньше вклада не только паров воды, но и углекислого газа. Во-вторых, из рисунка видно, что Ангстрем был неправ, утверждая, что полосы паров воды и CO2 поглощают в одной и той же области.

 

Необходимым условием поглощения (или испускания) ИК излучения при колебательном переходе является изменение электрического дипольного момента молекулы в процессе соответствующего колебания. Необходимым условием поглощения при чисто вращательном переходе является наличие у молекулы постоянного, не равного нулю дипольного момента (ориентация которого меняется при вращении). Дипольный момент симметричной двухатомной молекулы N2 или O2 равен нулю и остается равным нулю при колебании атомов. Следовательно, главные компоненты атмосферы — азот и кислород — практически не поглощают инфракрасное излучение. Соответственно, они не дают вклада в парниковый эффект. Это свойство всех симметричных двухатомных молекул, к числу которых относится также входящий в атмосферу в мизерных количествах водород H2. Поэтому говорят, что такие молекулы не активны в инфракрасном поглощении. Естественно, не поглощают ИК излучение и не дают вклада в парниковый эффект атомарные инертные газы. Активны только несимметричные двухатомные молекулы, а также молекулы, содержащие три и больше атомов. Из числа таких молекул в атмосфере наиболее высокой является концентрация молекул воды (водяного пара).

 

Вода — эффективный поглотитель инфракрасного излучения. Молекула H2O имеет три колебательные степени свободы, которым соответствуют три нормальных колебания[20]. Все три колебания активны в инфракрасном спектре. Как видно из рисунка, в газовой фазе они обуславливают наличие интенсивных колебательно-вращательных полос поглощения в средней ИК области. Правда, лишь одна из трех полос попадает в область, где интенсивность земного излучения значительна (~ 5 — 8 микрон или 2000 — 1250 см-1); две другие перекрывающиеся полосы лежат в области «хвоста» (2.5 — 3 микрона или 4000 — 3300 см-1). Молекула воды имеет постоянный дипольный момент и, соответственно, чисто вращательный спектр; а поскольку H2O — легкая молекула, ее чисто вращательный спектр охватывает область от 400 см-1 почти до нуля частот (на рисунке не показан). Эти спектральные свойства воды с учетом высокой концентрации ее паров делают ее главным парниковым газом.

 

Следующим по величине вклада в парниковый эффект идет углекислый газ (CO2). Двуокись углерода — линейная центросимметричная молекула. Следовательно, у нее нет постоянного дипольного момента и, соответственно, нет чисто вращательного спектра. Поэтому углекислый газ не поглощает в далекой ИК области. Однако, в отличие от двухатомных азота и кислорода, имеющих только одно колебание, молекула CO2 имеет три колебания, два из которых сопровождаются отклонением от симметрии и появлением дипольного момента. Этим колебаниям соответствуют две колебательно-вращательные полосы поглощения в средней ИК области, которые видны на рисунке, причем одна из них — сравнительно слабая полоса в районе 670 см-1 — точно попадает на максимум излучения Земли.

 

Вышеперечисленные полосы воды и углекислого газа в настоящее время практически полностью определяют поглощение земной атмосферы в средней и дальней ИК области — от 2.5 до 1000 микрон ( от 4000 до 10 см-1).

 

Из сказанного следует:

 

1) Главные компоненты атмосферы — азот и кислород — практически не поглощают инфракрасное излучение. Соответственно, они не дают вклада в парниковый эффект.

 

2) Спектральные свойства молекул воды с учетом высокой концентрации паров воды в атмосфере делают воду главным парниковым газом.

 

3) Следующим по величине вклада в парниковый эффект идет углекислый газ.

 

4) Ангстрем был неправ, утверждая, что полосы паров H2O и CO2 поглощают в одной и той же области. В следующем разделе мы покажем, что и его утверждение о насыщенности парникового эффекта атмосферы тоже оказалось неточным.

 

О спектральных и иных характеристиках других парниковых газов можно также прочесть, например, в [6]. Здесь мы лишь подчеркнем, что их вклад в нынешнее поглощение атмосферы и нынешний, уже существующий парниковый эффект незначителен по сравнению с водой и углекислым газом. Вместе с тем, поскольку концентрация метана[21] и фреонов в последние десятилетия быстро растет, эти газы сейчас рассматриваются как потенциальные усилители парникового эффекта в будущем.

 

Поскольку гипотеза Аррениуса и последующие работы связывают возможность потепления в первую очередь с эмиссией углекислого газа, в то время как наибольший вклад в сегодняшний парниковый эффект дают пары воды, неоднократно поднимался вопрос о соотношении вкладов воды и углекислого газа. Иначе говоря, какова роль именно углекислого газа в парниковом эфекте? Она пренебрежимо мала по сравнению с ролью воды или же она, хоть и меньше, но все же сравнима и, во всяком случае, существенна? Полемика по этому вопросу между сторонниками антропогенной версии глобального потепления и их оппонентами не утихает по сей день. Количественные оценки соотношения вкладов воды и CO2, опубликованные разными авторами, противоречивы и колеблются в широких пределах. Поэтому ограничимся следующими замечаниями.

 

1) Содержание водяного пара в атмосфере не зависит от человеческой активности. Оно всецело определяется температурой океана (и локальных водоемов), быстро изменяется с изменением температуры, но в среднем остается постоянным. В то же время, содержание углекислого газа в атмосфере, как мы увидим дальше, в течение двадцатого века непрерывно и существенно увеличивалось. Прирост за 100 лет составил примерно 30 %. По мнению сторонников теории антропогенного усиления парникового эффекта, причиной этого роста являются выбросы промышленности и транспорта и сокращение площади лесов, а также то, что избыток углекислого газа, попавшего в атмосферу по тем или иным причинам, лишь частично поглощается океаном. Среднее время жизни молекул углекислого газа в атмосфере составляет сотни лет. В результате происходит их накопление в атмосфере.

 

2) Существуют такие области спектра, где поглощение CO2 превышает поглощение воды.

 

3) Соотношение концентраций молекул воды и углекислого газа меняется с высотой. На больших высотах, в области низких температур концентрация паров воды по отношению к углекислому газу падает, и роль углекислого газа как поглотителя ИК излучения возрастает.

 

4) Важную роль во многих климатических теориях и моделях играет эффект положительной обратной связи (см. далее). Допустим, например, что произошло повышение содержания углекислого газа в атмосфере, которое вызвало некоторое потепление, пусть даже незначительное. Однако при этом повысится испарение воды с поверхности мирового океана, увеличится плотность паров воды в атмосфере, и это приведет к усилению парникового эффекта, к более значительному потеплению, к еще большему испарению и воды и углекислого газа, а значит к еще большему потеплению и т.д.

 

В заключение этого раздела следует сказать, что использование термина «парниковый эффект» применительно к атмосфере не должно вводить в заблуждение. На самом деле полного сходства между вышеописанным явлением и сохранением тепла в обычном парнике со стеклянной крышей нет. Хотя стеклянная крыша, как и атмосфера, прозрачна для видимых лучей и непрозрачна для инфракрасных, в обычном парнике этот фактор играет второстепенную роль. Главным является то, что крыша препятствует конвекции, не дает теплому воздуху подниматься верх и замещаться холодным. В случае земной атмосферы ничто не препятствует конвекции, и основным источником повышения температуры является поглощение тепловой радиации компонентами атмосферы. Поэтому первые исследователи атмосферного парникового эффекта вообще не включали конвекцию в рассмотрение. В современных моделях ей отводится достаточно важная роль.

 

Литература к главе 1

 

1. Broecker W.S. Climatic change; are we on the brink of a pronounced global warming? // Science, 1975, v. 189, N 4201, p 460-463.

2. Mark Maslin, Global Warming: A Very Short Introduction.

3. Stephen H. Schneider. Global Warming.

4. Roy W. Spencer, Climate Confusion: How Global Warming Hysteria Leads to Bad

Science.

5. Spenсer R. Weart. The Discovery of Global Warming.

6. М.В. Тонков. Спектроскопия парникового эффекта// Cоросовский образовательный

журнал, 2001, т. 7, № 10, с. 52-58.

7. Joseph Fourier, «Remarques Générales Sur Les Températures Du Globe Terrestre Et Des

Espaces Planétaires».Annales de Chimie et de Physique, 2nd ser., 27 (1824) 136-167.

8. John Tyndall. On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapors, and on the

Physical Connection of Radiation, Absorption and Conduction. — Philosophical

Transactions, February, 1861.

9. Swante Arrhenius. «On the Influence of Carbonic Acid in the Air upon the Temperature of

the Ground». Philosophical Magazine 41, 237 — 276 (1896).

10. Nils Ekholm. On the Variations of the Climate of the Geological and Historical Past and

Their Causes.// Quarterly J. Royal Meteorological Society, 1901, 27: 1-61.

11. James R. Fleming. T. C. Chamberlin, Climate Change, and Cosmogony. Stud. Hist. Phil.

Mod. Phys., Vol. 31, No. 3, pp. 293 — 308, 2000

12. Knut Angstrom on Atmospheric Absoorption. Monthly Weather Review, June, 1901.

13. James R. Fleming. The Callender Effect. (The Life and Work of Guy Stewart Callender).

Published by American Meteorological Society, 2007.

14. G.S. Callender «The artificial Production of Carbon Dioxide and Its Influence on

Temperature». — Quarterly Journal of Royal Meteorological Society, 64, 223-240.

15. G.S.Callender «Can Carbon Dioxide Influence Climate?» — Weather 4 (October) 310-314.

16. В. М. Шрайбер. Из истории исследований парникового эффекта земной

атмосферы. — Биосфера, 2013, т.5, № 1, с. 37 — 46.

 

(Продолжение следует.)

 

ПРИМЕЧАНИЯ

 

[1]Термин «глобальное потепление» появился в 70-х годах прошлого века с легкой руки американского исследователя Уоллеса Брокера (Wallace Smith Broecker) [1]. Термин не слишком удачный, так как потепление в принципе может быть вызвано различными процессами, в то время как сам Брокер подразумевал, что речь идет о потеплении именно антропогенного происхождения.

 

[2] В самое последнее время можно отметить некоторое повышение интереса и, одновременно, изменение тональности публикаций в России от сугубо скептической к более заинтересованной

 

[3] Больше других мне понравилась книга известного историка науки Спенсера Вирта (Spenсer R. Weart) [5] и серия его же статей в Интернете.

 

[4] Кое-какие соображения на этот счет появились у меня позднее. Но об этом в следующих частях.

 

[5] Киотский Протокол ратифицировали 192 страны. Не ратифицировали США, Андорра, Афганистан, Ирак, Палестинская Автономия, Республика Западной Сахары, Сан Марино, Сомали и Ватикан.

 

[6] Вопроса о роли и месте Альберта Гора в эпопее борьбы с глобальным потеплением мы еще не раз коснемся в дальнейшем.

 

[7] В конце 60-х — начале 70-х годов кафедрой руководил академик Кирилл Яковлевич Кондратьев, одновременно занимавший пост ректора университета (тогда еще Ленинградского).

 

[8] Один из них — профессор Михаил Васильевич Тонков — несомненно являлся лучшим или, во всяком случае, одним из лучших экспертов в области ИК спектроскопии атмосферных газов. К сожалению, Михаила Васильевича уже нет в живых. Однако его статья о спектроскопии парникового эффекта [6] является едва ли не единственной публикацией, где этот вопрос изложен достаточно полно и строго, и при этом на уровне, доступном большинству читателей.

 

[9] В 2009 и 20[В [9]2009 и 2010 годах мы вновь слышали и читали о тающих ледниках, о новоднениях в Польше, Чехии и Хорватии; видели по телевизору залитые водой улицы Варшавы и Загреба, дым от лесных пожаров над Москвой и изнывающих от рекордной жары москвичей. Из Греции поступали панические сообщения о бушующих лесных пожарах, о том, что огонь подбирается все ближе к Афинам, что сгорели десятки домов и что на помощь Греции направляются отряды МЧС России.

 

[10] Цитата из романа, где упоминается Тиндаль, найдена и любезно предоставлена в мое распоряжение М.Д. Голубовским, за что я ему очень признателен.

 

[11] Его именем названы один из ледников в Чили и горные пики в Калифорнии и Тасмании.

 

[12] Этот Кнут Ангстрем доводился сыном тому Ангстрему, по имени которого была названа единица измерения длины волны в оптике.

 

[13] В действительности это не так. Полосы поглощения паров воды и углекислого газа полностью не переркрываются, просто спектральная аппаратура, которой располагал Ангстрем, не обладала достаточной разрешающей способностью.

 

[14] Поглощение в «окне прозрачности» обусловлено «далекими крыльями» полос обоих газов. Интесивность крыльев возрастает при повышении концентрации.

 

[15] Под «излучением неба» Каллендер и некоторые другие исследователи понимали величину потока инфракрасной радиации, направленного вниз на Землю, в условиях, исключающих прямое и рассеянное излучение Солнца.

 

[16] Речь идет о так наз. циклах Миланковича — периодических изменениях параметров гелиоцентрической орбиты Земли, вследствие которых меняется величина потока падающего на Землю солнечного излучения (см. далее).

 

[17] Об этом термине мы еще поговорим дальше.

 

[18] Другая часть солнечного излучения рассеивается облаками, аэрозолями, пылью или отражается земной поверхностью (так наз. Альбедо).

 

[19] Спектр получен автором на типовом Фурье-спектрометре Nicolet 6700 FTIR. Область работы прибора со стороны низких частот ограничена 400 см-1 (λ = 25 микрон). Поэтому вращательные полосы воды, расположенные ниже 400 см-1, на рисунке отсутствуют.

 

[20] Число колебательных степеней свободы молекулы, состоящей из N атомов равно 3N-6 (или 3N-5 для линейных молекул, то есть таких, где все атомы расположены вдоль одной прямой).

 

[21] Значительное количество метана в виде гидратов и так наз. «клатратов» заморожено во льдах, в районах вечной мерзлоты и на дне северных морей. Есть точка зрения, что небольшое повышение глобальной температуры приведет к взрывному выбросу большого количества метана.

 

Опубликовано в журнале «Семь искусств» № 8(77) — август 2016 года.

 

Источник: http://7iskusstv.com/2016/Nomer8/Shrajber1.php

Книги / 117 / Искандер-ака / Теги: изменение климата, глобальное потепление, антропогенный фактор / Рейтинг: 5 / 1
Всего комментариев: 1
"Содержание водяного пара в атмосфере не зависит от человеческой активности. Оно всецело определяется температурой океана (и локальных водоемов), быстро изменяется с изменением температуры, но в среднем остается постоянным."(цит.) - а вот это уже вольные домыслы физика-спектроскописта. Верно указав, что содержание паров воды в атмосфере определяется температурой поверхности гидросферы, автор "кидает спасительный круг" апологетам техногенного Це-О-два-разогрева атмосферы. Этот высосанный из пальца посыл легко опровергнуть: изменяется активность солнца => изменяется температура гидросферы => изменяется содержание паров воды в атмосфере. Да и отсутствие влияния человека на водный баланс (паровой баланс) атмосферы - тоже вольная натяжка. Пример? Пожалуйста! Сравнительно небольшой рукотворный водоём - Цимлянское водохранилище (площадь зеркала водной глади - 2700 кв. км; нормативный объем воды - 23 куб. км) за теплый период года теряет 2 куб. км вследствие испарения. А сколько воды испаряется при тепловых выбросах в водоемы-охладители крупных электростанций и промышленных предприятий? Почему по сдерживанию этих испарений до сих пор не подписываются киотские протоколы и парижские соглашения? Но, видимо, физик-спектральщик поставил себе другую цель - поставить своё имя в ряд Фурье-Аррениуса. Не нравится фактор (пары воды) - превратим его в константу, не зависимую от антропогенной деятельности. И как бы не убеждал читателя этот физик-спектральщик в своей нейтральности спорящим сторонам и непредвзятости, уши климато-алармиста и апологета Це-О-два-виновника атмосферного разогрева торчат неприкрыто. Мощное ИК-излучение в средней и дальней спектральных областях, исходящее от этих ушей, явное тому подтверждение. Рассчитали же авторы гипотезы, что годовое приращение температуры не превышает 3 - 5 тысячных градуса в год. Значит, на те 2 градуса, которые призвано не допустить Парижское соглашение по климату к концу нынешнего века (считайте, через 80 лет), по тем же расчётам должно наступить через... 8 веков! А за это время либо ишак сдохнет, либо падишах умрёт. Либо оба одновременно. И не факт, что от газированного воздуха.
«Эко.знай» — международный сетевой ресурс экологического просвещения © 2015-2017.    Редактор — Александр Жабский.    +7-904-632-21-32,    zhabskiy@mail.ru