Всепланетный охладитель
"Планетарное зеркало
Сернистый ангидрид, SO2, всегда образуется при горении такой органики, как древесина, каменный уголь или мазут. Вот при сжигании метана, бензина, дизеля, керосина этот газ не выделяется, поскольку такое топливо от серы очищают, чтобы она не портила оборудование. Поэтому уголь и мазут считают очень грязными видами топлива, и люди, понимающие толк в защите окружающей среды, требуют от них отказаться.
Сернистый ангидрид при растворении в воде дает неустойчивую сернистую кислоту H2SO3, которая как образуется, так и распадается. Однако SO2 на свету присоединяет к себе атом кислорода и становится серным ангидридом, SO3. А вот он при растворении в воде дает устойчивую серную кислоту H2SO4. В зависимости от того, в каком слое атмосферы прошло это превращение, капли кислоты либо поучаствуют в конденсации дождевых облаков, а потом выпадут на землю кислотным дождем, что не очень хорошо, либо улетят выше тропосферы и там сформируют невидимые нам долгоживущие облака сернокислотного аэрозоля.
Однако эти аэрозольные и инициированные кислотой дождевые облака станут отражать в космическое пространство инфракрасную составляющую солнечного света. В результате, как говорят планетологи, вырастает альбедо Земли, что для нас, живущих на ее твердой поверхности, означает снижение потока солнечного тепла. Того самого, которое, проникнув в атмосферу и отразившись от земли или воды, потом не сможет уйти в космос из-за парниковых газов. Получается эдакое сернокислотное планетарное зеркало.
Физика расхождения
Принято считать, что вклад серного ангидрида в регулирование климата появился в промышленном веке. В общем-то понятно - почему. Тогда началось интенсивное сжигание угля, смог окутал крупные города, породил легендарные и ныне исчезнувшие лондонские туманы, ну и невидимые долгоживущие облака сернокислотного аэрозоля в верхних слоях атмосферы. Вот, мол, с этого времени у Земли и стало расти альбедо с ясными последствиями - снижением глобальной температуры.
Да-да, уважаемый читатель, это не опечатка: сжигание преданного анафеме угля, запрещаемого глобальными финансистами, а также мазута понизило температуру планеты по сравнению с той, которая была бы, не выделяйся при таком сжигании диоксид серы. Это не фантазии, это прямым текстом сказано в работах такого выдающегося климатолога, как нобелевский лауреат 2021 года Клаус Хассельман (см. Химию и жизнь, 2021, 10).
Однако есть и скептики, которых не устраивает такая картина: они считают, что вклад антропогенного серного ангидрида еще больше и историю его влияния на климат нужно начинать задолго до промышленной эры, с того легендарного момента, когда Прометей дал людям огонь.
Эта группа скептиков в полтора десятка исследователей из США, КНР, Франции и Нидерландов во главе с Джеймсом Хансеном (James E. Hansen) из Института Земли Колумбийского университета в декабре 2022 года опубликовала на сайте препринтов arxive.org скандальную статью, которая утверждает, что реальное глобальное потепление почти в три раза сильнее, чем думают климатологи из Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Расхождение такое.
В МГЭИК считают, что удвоение содержания парниковых газов в атмосфере по сравнению с доиндустриальным уровнем ведет к потеплению в пределах 1,5-4,5°С, причем скорее всего ближе к нижней границе. Отсюда следует, что рост уровня Мирового океана не превысит 80 см к концу столетия, и если удержать рост температуры в пределах 2°С к концу века, то ничего страшного не случится. По всем расчетам этих экспертов, 2°С - достижимая цель, особенно если вести декарбонизацию и всячески внедрять зеленые технологии в нашу жизнь, а зеленую идеологию - прежде всего в мозги подрастающего поколения.
Однако анализ палеоклиматических данных, проведенный Хансеном, свидетельствует об ином сценарии. Так, уже современное содержание углекислого газа в атмосфере, 415 ppm, соответствует тому, что было давным-давно, в плиоцене: 300-450 ppm. А потепление в плиоцене составляло 5-6°С по сравнению с нынешней температурой, и результат такого роста для нас был бы катастрофой - полное таяние полярных ледяных шапок и рост уровня океана на 25 метров с затоплением обширных территорий. Более того, по мнению Хансена и его коллег, реальное содержание парниковых газов нужно оценивать выше, нежели 415 ppm. К такому выводу приводит простой расчет: поток излишнего тепла, задерживаемого атмосферой, вырос с 1770 по 2021 год на 4,09 Вт/м2, или 0,16 Вт/м2 в декаду, и, чтобы обеспечить такое увеличение теплового потока, нужно увеличить содержание парниковых газов с тогдашних 278 ppm до 561 ppm.
Как получается это расхождение с наблюдениями? Хансен предполагает, что надо учесть небольшие добавки к составу атмосферы других антропогенных парниковых газов, например галогенуглеродов, тех самых фреонов, запрещенных Монреальским протоколом: их парниковый эффект во много раз сильнее, чем даже у метана, не говоря об углекислом газе. Расчет Хансена ведет к тому, что реальный потенциал потепления от парниковых газов, накопленных в индустриальную эру, составляет не 1,5°С и даже не 4°С, а все 7-10°С.
Древний смог-спаситель
Однако почему же мы этого не видим? Потому, что не хотим, и тут есть два аспекта. Первый - роль сернокислотного аэрозоля, второй - нежелание политиков осложнять себе жизнь. Приглядимся к этим аспектам.
Глядя на самый свежий, опубликованный в 2021 году в журнале Nature график изменения температуры за последние 25 тысяч лет (рис. 1), можно обнаружить интересную особенность. По окончании последнего ледникового периода примерно 17 тысяч лет тому назад температура начала расти. И поначалу ее рост был резким: за 6 тысяч лет на 7°С, то есть 0,12 градуса в столетие или 0,012 за декаду. А потом температура как будто стабилизировалась и за 11 тысяч лет вплоть до ХIX века выросла лишь на полградуса, то есть скорость упала до 0,00045°С в декаду, или в 27 раз.
Это очень интересный отрезок на шкале времени. Вспомним, что древнейшие очаги цивилизации, раскопанные в Анатолии, на месте холмов Гёбекли-тепе и Чайоню-тепеси, датируют 7-12 тысячелетиями до настоящего времени (см. Химию и жизнь, 2017, 6). Выходит, что стабилизация температуры соответствует как раз времени становления человеческой цивилизации. А кто сделал человека цивилизованным? Верно, Прометей, который дал технологии и огонь, чтобы этими технологиями можно было пользоваться. Огонь же - это сожженные дрова, которые выбрасывают в атмосферу углекислый газ и диоксид серы. Если дров сжигают все больше, значит, приток углекислого газа в атмосферу растет, вызывая парниковый эффект. Однако диоксид серы, вызывая образование сернокислотного аэрозоля, снижает альбедо планеты и тем самым охлаждает ее поверхность.
Если про парниковые газы климатологам известно почти все, то сведений об аэрозоле очень мало и о его роли приходится судить лишь с помощью косвенных данных. По мысли Хансена получается, что долгие тысячелетия цивилизация, сама того не зная, поддерживала равновесие климата и обеспечивала себе комфортные условия, так называемый голоценовый климатический оптимум. Более того, это равновесие поддерживалось и в индустриальную эру: сернокислотный аэрозоль от сжигания ископаемого угля так охлаждал планету, что вплоть до первой трети ХХ века наблюдалось похолодание, да и потом долгие годы температура росла совсем неохотно, осилив лишь к 1970 году 0,2°С по сравнению со средним значением за 1880 - 1920 годы; выходит 0,04 градуса за декаду.
Зная содержание парниковых газов, нетрудно посчитать влияние сернокислотного аэрозоля на тепловой баланс. Так, если в 1770 году (его приняли за начало индустриальной эры и антропогенного потепления) поток тепла, вызванный парниковым эффектом, был 0,5 Вт/м2, то и аэрозольное охлаждение было 0,5 Вт/м2. А в последующий индустриальный период аэрозольный эффект рос и, по оценкам Хансена, достиг к 70-м годам ХХ века максимума в 1,5-2 Вт/м2. То есть аэрозоли съели половину антропогенного потока потепления, оцененного, напомним, в 4 Вт/м2. А не то жить бы нам уже в климате плиоцена.
Инициатива наказуема
И может быть, все было бы сейчас не столь печально, но события пошли в полном соответствии с афоризмом В.С. Черномырдина «хотели как лучше, а получилось как всегда».
Во второй половине ХХ века ученые и политики озаботились защитой природы и, в частности, климата. Был найден виновный - ископаемое топливо, прежде всего уголь, и на него начались гонения. Суть их состояла в том, что в 70-х годах в промышленно развитых странах стали принимать законы о чистом воздухе. Они сработали: воздух стал очищаться, о кислотных дождях все уж позабыли, но, как нетрудно догадаться, солнцезащитный экран из серной кислоты стал истончаться. Это сказалось на климате. Если за 70 лет с 1880 по 1920 год поток парникового тепла увеличился на 0,54 Вт/2, или 0,077 Вт/2 в декаду, то с 1970 года скорость его роста составляет 0,3 Вт/м2 за декаду. Соответственно, рванула и температура: с 70-х годов и до недавнего времени она росла на 0,18°С за декаду.
И чем более непримиримой становится борьба за чистый воздух, тем быстрее растет температура. Так, очередным переломным моментом стала пятилетка 2010 - 2015. В этот период были ужесточены требования к топливу для судов и усилен нажим на КНР, из-за чего там стали интенсивно заменять уголь газом - с 2006 по 2017 год китайская эмиссия диоксида серы упала на 70%. Однако эмиссия углекислого газа вовсе не упала от замены угля газом.
В результате теперь мы живем в мире, где температура поверхности планеты растет со скоростью 0,2 градуса в декаду, то есть в пять раз быстрее, чем в «угольный» период. Вот и получается: мы не видим этого, гораздо более существенного, чем кажется экспертам, потепления потому, что его долгие годы тормозил сернокислотный экран, и мало кто даже из ученых осознает наступление иной реальности, где этого слоя уже нет и отложенное потепление набирает обороты.
А что там было про политиков, которые не хотят обращать внимания на климатические реальности? С этим аспектом проблемы все просто. Глобальное потепление - не единомоментный процесс. Избыток парниковых газов в атмосфере лишь обозначает энергетический дисбаланс планеты, то есть превышение входящего потока энергии над исходящим в космос; сейчас этот дисбаланс составляет 1 Вт/2. Конечно, когда-нибудь все придет в равновесие, температура планеты вырастет и потоки энергии сравняются, как это происходит при нагреве кастрюли со снятой крышкой. Однако пока что установлению теплового равновесия мешают океан и ледники. Температура первого и площадь вторых сильно отличаются от равновесной для достигнутой концентрации парниковых газов в атмосфере, и сейчас океан медленно нагревается, а ледники тают.
По расчетам, если сегодня содержание углекислого газа мгновенно удвоится по сравнению с доиндустриальным, то по самым пессимистичным оценкам МГАЭК температура планеты вырастет на 3-4 градуса, однако это случится очень нескоро, к началу 4 тысячелетия нашей эры. А в ближайшие сто лет температура вырастет лишь на 1,5-2 градуса по сравнению с доиндустриальным уровнем. Такова мощность поглощения тепла со
стороны океана и ледников.
Более того, без всяких моделей легко посчитать, что даже в самом худшем случае, когда теплеет на 5-6°С и мы приходим в плиоцен с его повышением уровня океана на 25 метров, при нынешней рекордной скорости роста температуры 0,2 градуса в декаду путь займет 250 лет.
Понятно, что никто из реальных политиков не станет думать о столь длительной перспективе. Поэтому для борьбы с неприятным для избирателей явлением выдвинуты цели, продиктованные, скорее, не научными соображениями, а политической целесообразностью: задать такое допустимое потепление, которое легко достижимо. И это сделано. Как известно, в Парижское соглашение включено требование ограничить потепление к 2100 году не более 2°С по сравнению с доиндустриальным уровнем, активисты же настаивают на промежуточной границе 1,5°С к 2050 году.
Посчитаем. Сейчас потепление составляет 1,09°С, то есть до промежуточной цели осталось 0,4°С, а до окончательной - 0,9°С. Если потепление идет со скоростью 0,2 градуса в декаду, выходит, что через тридцать лет оно наберет чуть больше, чем требуют, 0,6°С, а через восемьдесят - действительно заметно больше, 1,6 градуса, то есть температура планеты вырастет на 2,6°С выше доиндустриальной.
Однако это дает расчет на коленке, а учет тормозящего влияния океана и ледников, как следует из данных климатического моделирования (рис. 3), и вовсе делает цель Парижского соглашения достижимой без особых усилий, без всякой декарбонизации, а в силу имеющегося сейчас хода событий. А спустя восемьдесят лет правнуки нынешних политиков даже в самом тяжелом случае смогут сказать: ну мы же почти достигли древней цели, вот видите, потеплело на 2,6°С, но это же не на возможные 4°С. Да, Мальдивы смыло, но Амстердам-то стоит!
Неудивительно, что есть мало желающих обращать внимание на свидетельства того, что, возможно, реальное потепление гораздо больше и расчет по климатическим моделям, которые дают столь успокаивающий сценарий, скорее вводит в заблуждение, чем дает ориентиры.
Однако наша цивилизация сформировалась в условиях так называемого голоценового оптимума, в климате шеститысячелетней давности, когда температура была несколько ниже доиндустриального уровня. Это наша температура комфорта. С этой точки зрения видно, что в равной степени контрпродуктивно обсуждать потепление как на 1,5, так и на 6 градусов. Не надо даже думать о возможном повышении температуры планеты, ее надо только снижать, причем не теряя благ технической цивилизации, не следуя призыву Жан-Жака Руссо «назад, в природу».
Удивительно, но получается, что именно борцы с потеплением своими необдуманным действиями сломали хрупкий механизм, который позволял цивилизации развиваться, не нарушая теплового равновесия планеты, когда рост парникового эффекта из-за углекислого газа, высвободившегося при сжигании угля и дров, был скомпенсирован охлаждающим эффектом сернокислотного аэрозоля, происходящего из того же источника.
Теперь же у человечества есть два реально работающих механизма возвращения к комфортному климату голоцена: изъятие углекислого газа из атмосферы и целенаправленное формирование сернокислотного экрана. К счастью для всех нас, есть энтузиасты, которые думают над обеими технологиями терраформирования Земли, а порой и предпринимают конкретные шаги по их воплощению".
"Химия и жизнь", № 3, 2023
кандидат физико-математических наук С.М. Комаров