Последние облака. Подробно о гипотезе влажной стратосферы
В 2004 году, на момент выхода фильма «Послезавтра», сохранялось ощущение, что подобный сюжет является фантастикой, преувеличением или просто страшилкой. Сегодня мы живем в мире, где уже превратилась в недавнюю историю филиппика Греты Тунберг, где рекордно обмелел водопад Виктория, а на Ямале зафиксирована вспышка сибирской язвы — болезнь сохранилась в трупе северного оленя, долгие годы пролежавшем в вечной мерзлоте, которая сегодня все сильнее тает. Буквально на момент подготовки этого материала читаем о беспрецедентном ослаблении Гольфстрима. Книга «Необитаемая Земля» в 2020 году стала бестселлером по версии «Нью-Йорк Таймс», и еще в 2020 году была издана на русском языке.
Но таковы жанры фантастики и постапокалиптики, а вместе с ними — и экологический дискурс — что по-настоящему грозные последствия глобального потепления остаются в тени, поскольку не слишком зрелищны, растянуты во времени и на данный момент маловероятны. Даже менее вероятны, чем сюжет «Послезавтра» в 2004 году. Я очень удивился, насколько скудно раскрыты в Рунете и практически не раскрыты на Хабре вопросы бесконтрольного парникового эффекта и влажной стратосферы — и сегодня хочу остановиться на них.
Тропосфера и тропопауза
Начнем с общего устройства атмосферы.
Весь климат, вся погода, а также явления, связанные с глобальным потеплением, происходят в тропосфере, которая толще всего у экватора (16–17 км), а тоньше всего у полюсов. Границей между тропосферой и стратосферой является тропопауза, расположенная на высоте 8–10 километров. Температура атмосферы, составляющая на уровне моря в среднем 15° C, плавно понижается с высотой и достигает первого минимума -65° С именно в районе тропопаузы. Также удалось установить, что в зависимости от времени года верхняя граница тропосферы немного колеблется — в теплые сезоны эта граница немного выше.
В тропосфере сосредоточено примерно 9/10 всей массы атмосферы, накапливаются парниковые газы, образуются циклоны и происходит циркуляция воздуха. Также именно в тропосфере образуется большинство видов облаков:
Здесь обратим внимание на то, что озоновый слой, защищающий поверхность Земли от губительного ультрафиолетового излучения, расположен значительно выше тропопаузы, на высоте 22–25 километров.
Между тропосферой и озоновым слоем находится еще один важный слой, называемый «холодная ловушка» (cold trap). Это именно тот слой, в котором температура тропосферы достигает минимума. Поэтому в области холодной ловушки водяной пар конденсируется, превращается в облака и возвращается в круговорот воды, а выше почти не попадает.
Те молекулы воды, которые проникают выше тропопаузы и выше озонового слоя, подвергаются фотолизу. Ионизирующее излучение расщепляет молекулу воды на кислород и водород, после чего водород улетучивается в космос. Именно таким образом планета земного типа может потерять всю воду и превратиться в аналог Венеры.
Здесь уместно отметить, что три планеты земной группы — Марс, Земля и Венера — при всей схожести геологического строения принципиально отличаются запасами воды. Если распределить всю воду Марса равномерным слоем по поверхности планеты, его мощность составит 2–7 метров (в зависимости от точного объема воды на Марсе). На Земле аналогичный показатель составил бы 2,5 км, а на Венере — не более 20 см, причем, вся вода на Венере существует в виде следовых количеств водяного пара в атмосфере.
Такая разница указывает, что механизмы утраты воды на Марсе и Венере были разными. Если на Марсе опустынивание, вероятно, произошло из-за деградации магнитосферы, на Венере это были катастрофические последствия парникового эффекта.
Углекислый газ и холодная ловушка
Влияние углекислого газа на функционирование и проницаемость холодной ловушки заслуживает подробного описания, которое я приведу по этой работе, которая называется «Улетучивание воды на землеподобных планетах с атмосферами, насыщенными CO2» (Water loss from terrestrial planets with CO2-rich atmospheres).
Степень, в которой холодная ловушка ограничивает потерю воды, значительно зависит от количества CO2 в атмосфере. Во-первых, CO2 влияет на общее содержание воды в атмосфере, так как провоцирует парниковый эффект, тем самым повышая температуру на поверхности планеты. Однако, сила поглощения, проявляемая углекислым газом в полосах 15 и 4,3 µm, обеспечивает эффективное охлаждение даже при низком давлении, что и играет ключевую роль в поддержании температуры холодной ловушки. Кроме того, CO2 также может напрямую ограничивать улетучивание водорода в самых верхних слоях атмосферы, поскольку хорошо испускает тепловое излучение в инфракрасном спектре, и таким образом «подъедает» энергию, которая могла бы стимулировать убегание водорода. Следовательно, история водного покрова на планетах земной группы тесно связано с историей концентрации углекислого газа. Считалось, что на Земле уровень диоксида углерода в геологических масштабах зависит от карбонатно-силикатного цикла: чем выше температура, тем быстрее происходит выветривание осадочных пород и, следовательно, образование карбонатов. Карбонаты связывают часть атмосферного углекислого газа, и благодаря этому температура воздуха вновь понижается.
Такой гомеостаз должен мог сохраняться неограниченно долго, если бы не антропогенное вмешательство в климатические процессы. Суть проблемы в том, чтобы не дать планете скатиться в состояние неуправляемого парникового эффекта. Исследованием именно этого катастрофического сценария в 1990-е годы занялся Джим Кастинг, до этого работавший в NASA. Он всерьез интересовался не только тенденциями изменения климата, но и границами зоны обитаемости в Солнечной системе. Так, именно Кастинг обнаружил, что средняя температура на поверхности нашей планеты, исходя из ее альбедо (отражающей способности) должна составлять примерно -18 градусов Цельсия, но на самом деле составляет около +17 градусов. Таким образом, температура сильно зависит от парникового эффекта, без которого на Земле было бы слишком холодно.
Наибольшую обеспокоенность в качестве парникового газа вызывает именно CO2, но Кастинг подсчитал, что для запуска механизма влажной стратосферы из-за одного только сжигания углерода уровень CO2 в атмосфере должен превысить нынешний примерно в двадцать пять раз, для чего, по всей вероятности, не хватит ни возможностей современной цивилизации, ни запасов углерода на Земле.
Тем не менее, подобные допущения можно считать оптимистичными. Дело в том, что сильным парниковым эффектом обладает не только углекислый газ, но и водяной пар. Вода имеет высокую теплоемкость, а чем больше теплого водяного пара образуется в атмосфере, тем выше могут формироваться облака. Из-за таяния ледников, вызванного парниковым эффектом углекислого газа, тропосфера становится все более влажной, а также снижается отражающая способность всей планеты — полярные льды отражают гораздо больше солнечного света, чем гораздо более темная морская вода.
Наконец, существует фактор таяния вечной мерзлоты, в результате чего в атмосферу поступает метан. При этом парниковый эффект метана в 25 раз сильнее, чем у углекислого газа, а запасы метана в вечной мерзлоте пока удается оценить лишь приблизительно.
Таким образом, существует три фактора риска, подталкивающих тропопаузу вверх и приближающих ее к озоновому слою:
1. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, дающее парниковый эффект
2. Увеличение концентрации водяного пара в атмосфере, дающее не только. дополнительный парниковый эффект, но и активизацию образования облаков. При этом облака образуются все выше.
3. Таяние ледников, снижающее альбедо планеты. Вода темнее льда, поэтому океан нагревается, а вслед за ним продолжает нагреваться атмосфера.
Когда холодная ловушка откажет
Все это заставляет задуматься о пессимистичных сценариях и о тех лимитах потепления, которые может выдержать тропосфера.
Существует распространенное заблуждение, согласно которому бесконтрольный парниковый эффект является простым продолжением положительной обратной связи, провоцируемой водяным паром. Чем сильнее нагревается планета, тем больше воды испаряется. Поскольку водяной пар является парниковым газом, предполагалось, что такие процессы могут привести к выкипанию океана. Но на самом деле переход к бесконтрольному парниковому эффекту более сложен: существует предел, до которого планета может сбрасывать в космос тепловое (длинноволновое) излучение. Некоторое время температурное равновесие может поддерживаться за счет такой отдачи, но рано или поздно тропосфера перестает остывать, растет температура тропопаузы, и парниковый эффект становится лавинообразным. Тогда тепловое равновесие на Земле установится снова, но уже на точке около 1400 K (1127 °С); в таком случае океаны успеют выкипеть до дна, а планета станет излучать тепло в космос в инфракрасном спектре, где водяной пар утрачивает парниковые свойства.
В 1967 и 1969 году первые расчеты такой теплоемкости атмосферы были выполнены, соответственно, Макото Комабаяси и Эндрю Ингерсоллом. В 1988 и начале 1990-х появились оценки Кастинга, о которых шла речь выше, а в 1992 складывающуюся картину систематизировал Шиничи Накадзима. Согласно его расчетам, холодная ловушка начнет терять эффективность, а тропопауза — сдвигаться вверх — уже при небольшом повышении температуры воздуха у поверхности Земли. В данном случае наиболее важен коэффициент смешения водяного пара, то есть, отношение давления водяного пара к общему атмосферному давлению. Чем он выше, тем ниже эффективность холодной ловушки, и тем выше образуются облака. В настоящее время такая приповерхностная температура воздуха составляет 290 K (17 °С), а коэффициент смешения — 10%. При повышении приповерхностной температуры до 300 K (27 °С), 310 K (37 °С) и 330 K (57 °С) коэффициент смешения водяного пара возрастет в 1,5, 2,7 и 21 раз соответственно.
Новейшие модели, разработанные в 2013 и 2015 году, позволяют предположить, что критическая температура тропосферы (при которой в масштабах всей тропосферы происходит конвекция водяного пара, и тропосфера начинает разогревать стратосферу, то есть, тропопауза исчезает) должна быть еще выше, и составить 350–370 K (77–97 °С), согласно модели Вулфа и Туна (2015). Согласно этой модели, стабильный климат, в принципе, допускающий сохранение современной биосферы, возможен при температурах около 363 K (90 °С). Тем не менее, уже при приповерхностной температуре порядка 350 K (77 °С) водяной пар начнет активно проникать в стратосферу. При этом атмосферное давление у поверхности Земли будет возрастать, поэтому даже при температуре 373 K (100 °С) кипение океана не начнется, но при такой температуре океан определенно станет безжизненным, из-за чего окажутся обречены и все прочие земные экосистемы.
Максимальная температура, зафиксированная у поверхности Земли в последние годы, составляет около 330 K (54–57 °С). При этом мы вряд ли сможем поднять температуру тропосферы на 20 градусов, просто сжигая ископаемое топливо. Подобный сценарий более вероятен в случае повышения солнечной активности примерно на 15,5%, что, как ожидается, произойдет в ближайшие 1,5 миллиарда лет. В таком случае нижние слои тропосферы будут наполнены горячим водяным паром, но в верхних слоях тропосферы и в стратосфере какое-то время сохранится мощный слой облаков. Облака повысят альбедо планеты, что позволит на некоторое время стабилизировать климат, но содержащийся в них водяной пар будет необратимо распадаться на кислород и водород в процессе фотолиза.
Заключение
Соответственно, климатические запасы прочности у нашей планеты еще достаточно велики, а окончательно сломать климат одними только выбросами углекислого газа в атмосферу мы, по-видимому, не сможем. Парижское климатическое соглашение 2015 года, которое уже сейчас кажется непозволительно оптимистичным, предусматривает меры по сдерживанию глобального потепления в пределах 2 °С до конца нынешнего века — тогда как до точки невозврата нам остается еще не менее 40 °С. Тем не менее, мы весьма приблизительно представляем, насколько могут разогнать глобальное потепление водяной пар и в особенности метан, а также насколько уменьшится отражательная способность планеты в случае таяния всех ледников. Поэтому остается продолжать наблюдение и надеяться, что нам удастся сохранить в целости тропопаузу и холодную ловушку, подобно тому, как удается постепенно, но не без рецидивов, залатать озоновую дыру над Антарктидой.
