Метан и климат
Метан и
климат
Н.А.
Ясаманов, доктор
геолого-минералогических наук
Что происходит
с погодой? Прошлым летом жители средней полосы страны изнывали от жары, многие
районы задыхались в дыму горящих торфяников, а Европу и юг России охватило
катастрофическое наводнение, на Кавказ обрушились сокрушительные смерчи. С
ноября же в большинстве регионов установились лютые морозы (на севере
температура неделями держалась ниже –40°, в Подмосковье опускалась до –35°).
Прошедший декабрь оказался седьмым среди самых холодных с 1879 г. за все время
регулярных наблюдений («рекордсмен» – 1933 г.). В то же время лишь дважды
средняя температура июля была выше, чем в 2002 г. В преддверии Всемирной
конференции по климату, открывающейся в Москве, мы публикуем один из взглядов
на природу явления.
Вот уже
четверть века идут споры о глобальном потеплении. Не только специалисты, но и
общественность, а также СМИ озабочены изменениями климата, все чаще задаваясь
вопросами: каков антропогенный вклад в парниковый эффект, неизбежен ли подъем
глобальных температур или возможен спад и т. п. А в это время приборы
бесстрастно фиксируют рост температур, и мы отмечаем уникальные погодные
аномалии. То в середине мая 2001 г. Подмосковье поражают продолжительные
заморозки, когда температура несколько дней держится у отметки –5 °С. То
слишком быстро заканчивается лето, и уже в августе начинается дождливая и
холодная осень. То слишком рано вскрываются реки и начинается половодье,
сопровождающееся наводнениями. То, как в ноябре 2002 г., после теплой осени в
Европейской части страны неожиданно устанавливаются температуры на 15–20
градусов ниже средних многолетних, а в Восточной Сибири столбик термометра не
поднимается выше –40 °С (в Якутии – морозы под шестьдесят!). И где же
потепление?
Что и говорить,
первая половина зимы 2002/2003 гг. впечатляет. Не секрет, что в Подмосковье уже
привыкли к относительно теплым («гнилым») зимам с продолжительными оттепелями.
Так, в январе 2002 г. оттепель продолжалась свыше двух недель. В результате
температуры января, как, впрочем, и декабря 2001 г., оказались намного выше
средних.
На бытовом
уровне потепление проявляется в том,
что теплых дней в году становится больше (не обязательно летом). Глобальное
потепление выражается не только в росте средних температур, но и в изменении
процессов, влияющих на погоду.
Их устойчивое
протекание нарушается, и возникают погодные аномалии, число которых с каждым
годом все больше. Это и необычайно обильные и длительные снегопады в Краснодарском
крае и Ставрополье зимой 2001/2002, и сильнейшие наводнения в Европе летом 2002
г. и зимой 2002/2003, и невиданные холода в Индии этой зимой.
Было ли
потепление?
Глобальные
процессы изменения климата вызывают не только плавный рост средних температур,
но и их скачки, т. е. периоды аномально высоких и аномально низких температур.
Вот только длительность последних во второй половине XX в. заметно сокращалась.
О потеплении
неопровержимо свидетельствуют приборы. Пока среднегодовые температуры в разных
регионах и на Земле в целом повысились всего на десятые доли градуса. Но спорят
сегодня в основном уже не столько о факте потепления, сколько о его причинах и
следствиях, а также о тех или иных сценариях развития событий. Впрочем,
некоторые участники дискуссий все еще не смирились с потеплением, ссылаясь на
недостоверность, неточность или неверную интерпретацию метеорологических данных
и несовершенство климатических моделей.
Парниковые
газы
Говоря о
глобальном потеплении, нельзя не упомянуть о парниковом эффекте и порождающих
его парниковых газах в атмосфере. Это водяной пар, углекислый газ, метан,
хлорфторуглероды (фреоны), обеспечивающие в целом около 98% парникового
эффекта. Остальное приходится на инертные благородные газы. Около 60%
парникового эффекта вызывают пары воды. Чем больше их в тропосфере, тем сильнее
парниковый эффект, а их концентрация, в свою очередь, зависит от приземных
температур и площади водной поверхности. В конце 60-х годов ХХ в. ученые
обратили внимание на роль углекислоты в парниковом эффекте и задумались о ее
накоплении в атмосфере: выбросы CO2 в энергетике, на транспорте, в металлургии,
химической промышленности и других отраслях стремительно росли. Это так
подействовало на впечатлительную международную общественность (прежде всего
многочисленные экологические НПО), что сегодня ряд «климатических активистов»
парниковый эффект и антропогенные выбросы CO2 в атмосферу считают синонимами.
Между тем довольно тяжелый углекислый газ не поднимается в верхние слои
атмосферы. Все его выбросы остаются в нижней тропосфере, откуда сравнительно
быстро поглощаются растительностью и почвенными организмами или растворяются в
водах рек, озер, морей и океанов. Особенно много углекислого газа поглощает
Мировой океан. При этом большая часть CO2 тратится на постройку скелета водных
организмов и усваивается фитопланктоном, а избыток аккумулируется в донных
осадках в форме карбонатов.
Главный
участник
До последнего
времени явно недооценивалась роль метана в парниковом эффекте. А ведь этот
легкий газ с земной поверхности быстро попадает на границу тропосферы и
стратосферы. Мало того, что он сам активно участвует в парниковом эффекте, на
высоте 15–20 км под действием солнечных лучей он разлагается на водород и
углерод, который, соединяясь с кислородом, образует углекислый газ. В
результате этого глобального процесса в верхних слоях атмосферы поглощается
кислород и разрушаются молекулы озона. Содержание метана в атмосфере растет
вдвое быстрее, чем концентрация углекислого газа. Возникающий из метана в
верхних слоях тропосферы углекислый газ медленно опускается к земной
поверхности. Он не только активно участвует в парниковом эффекте, но и заметно
пополняет запасы атмосферной углекислоты, т. е. чем больше метана попадает в
атмосферу, тем больше в ней образуется углекислого газа.
Сколько же в
природе метана и откуда он поступает в атмосферу? Точно подсчитать количество
выделяющегося метана нелегко. Но можно выделить природные и антропогенные его
источники и оценить их мощность. Метан образуется в болотах при гниении
органики. Недаром его еще называют болотным газом. Поступает он в атмосферу и
из обширных мангровых зарослей, широкой полосой протянувшихся на низменных
приморских равнинах в тропических областях (от 5° с. ш. до 10° ю. ш.). Кроме
того, метан попадает в атмосферу из зон тектонических разломов, как на суше,
так и на дне океана. Особенно много его выделяется вдоль рифтовых впадин
срединно-океанических хребтов, в областях столкновения литосферных плит, где
происходят активные вулканические подводные извержения, и на шельфе, где
накапливается и преобразуется органическое вещество. Выделяется метан и из
возникающих при землетрясениях трещин и разломов в районах скопления нефти и
газоконденсантов, месторождений бурого и каменного угля, горючих сланцев и
вообще толщ осадочных пород, богатых органикой.
Велики и
антропогенные выбросы метана. Он выделяется при разведке и добыче полезных
ископаемых, их транспортировке и переработке, при неполном сгорании
минерального топлива в двигателях внутреннего сгорания и тепловых электростанциях,
в сельском хозяйстве (особенно на рисовых полях и животноводческих фермах). По
оценкам, естественные и антропогенные выбросы составляют примерно 70% и 30%, но
последние стремительно растут.
Если в
ближайшие годы не будет сильных извержений вулканов (как Кракатау в 1883 г. или
Тамбор в 1815 г.), на Земле продолжится рост температур. Но нельзя строить
прогнозы, не поняв, как влияет на глобальное потепление рост содержания метана
в атмосфере и его превращение в углекислоту.
Путешествие
в прошлое
Информация о
климатах давних эпох надежно сохранена в горных и осадочных породах в виде
ископаемых остатков животных и растений. Современные методики позволяют оценить
климат древности довольно точно. Начиная с докембрия, по мере приближения к
современной эпохе климатические характеристики расшифровывают все полнее и
достовернее.
За время
существования Земли было по меньшей мере 6–7 глобальных оледенений (в конце
архея – начале протерозоя, 2,5 млрд лет назад; в рифее – 850 и 650 млн лет
назад, в ордовике – 450 млн лет назад, в конце каменноугольного периода – 280
млн лет назад, а самое недавнее началось в конце неогена – 2 млн лет назад и
продолжилось в четвертичном периоде). Последнее оледенение завершилось в начале
голоцена (15 тыс. лет назад). С тех пор климат на Земле менялся то в сторону
потепления, то похолодания, но ледниковый покров на планете постепенно
сокращался.
Во время
оледенений средние температуры на Земле опускались до 8–10 °С (ныне 14°).
Огромные площади покрывались мощными ледниковыми щитами – ледники достигали
40–45° северной и южной широт. Тропический и субтропический климат сохранялся
только в узкой полосе у экватора.
Однако гораздо
дольше, чем оледенения, на Земле господствовал очень теплый климат. Средние
температуры повышались до 20–22 °С. На полюсах не только отсутствовали ледяные
шапки, но и росли деревья. Даже в эоцене (50–55 млн лет назад, что по
геологическим меркам недалеко от современной эпохи) температура воды в Северном
Ледовитом океане была, как в современном Черном море. На Шпицбергене и островах
Канадского Арктического архипелага росли хвойные и широколиственные леса. В
геологических слоях, возникших в то время, найдены отпечатки теплолюбивых
растений и даже пальм, а также скелеты крокодилов и других теплолюбивых животных.
Однако уже
около 30 млн лет назад в Антарктиде возникли первые ледники. Спустя еще 25 млн
лет они появились и в Северном полушарии (сначала в Гренландии, а затем на островах Северного океана, который
постепенно покрылся многолетним льдом). Наступил четвертичный ледниковый
период. Впрочем, и в этот период ледники не раз отступали. В одну из таких
эпох, в микулинское межледниковье (125 тыс. лет назад), Северный Ледовитый
океан покрывался льдом только зимой, а на месте тундры и лесотундры росли
сплошные леса. Всего за 1,5 млн лет ледниковые эпохи по крайней мере четырежды
сменялись межледниковьями.
В последние
годы профессором А.А. Величко составлены палеоклиматические карты Европейской
части России. На них видно, как менялся климат в последний миллион лет. Почти
все это время гораздо севернее, чем ныне, располагались области с умеренным и
тропическим климатом. Если во время оледенений средняя температура была
значительно ниже современной (примерно 20 тыс. лет назад ледники не только
покрывали всю Скандинавию, но и достигали Валдайской возвышенности), то в
межледниковья — на несколько градусов превышала современную. И тогда место
тундры занимала тайга и даже хвойно-лиственные леса, а на месте тайги росли
дубово-грабовые и дубово-липовые леса. Границы лесостепей находились
значительно севернее нынешних, а на юге Европейской части России располагались
степи и полупустыни.
Почему
меняется климат
В чем же
причины таких кардинальных перемен? Зная это, не только легче понять, почему
меняется климат в современную эпоху, но и строить прогнозы.
Первое, что
напрашивается в качестве причины климатических флуктуаций, – это периодическое
изменение положения Земли в космическом пространстве и, стало быть,
неравномерное поступление солнечной энергии. Это, действительно, важная причина,
но она ответственна только за продолжительные (десятки миллионов лет)
климатические изменения. Так что для прогнозов на десятки и даже сотни лет
искать причины изменений климата в космосе не стоит. Кроме того, чисто
космическими причинами не объяснить колебания содержания CO2 в
атмосфере, запечатленные растительностью в результате фотосинтеза.
Вторая причина
— состояние атмосферы, ее прозрачность и концентрация парниковых газов. Ведь
атмосфера пропускает не всю солнечную радиацию. Часть ее она рассеивает и
отражает обратно в космическое пространство, и лишь 44% потока излучения
достигает земной поверхности. Атмосферный озон, как известно, задерживает
ультрафиолет.
Современная
атмосфера — результат долгой эволюции. Когда-то в ней не было кислорода и
азота, а были только углекислый газ,
водяной пар, метан, аммиак, водород и пары кислот. Первый миллиард лет в
атмосфере преобладал углекислый газ, но
к концу этого периода в ней появились азот и кислород. Содержание
кислорода достигло максимума 500 млн лет назад. А еще раньше возник озоновый
экран, защитивший живые существа от ультрафиолетового излучения и позволивший
жизни выйти на сушу.
Высокая
концентрация CO2 в атмосфере обеспечивала парниковый эффект и
высокие температуры в самые теплые эпохи геологического прошлого. Однако
временами концентрация сильно менялась. Как только она становилось меньше,
наступали похолодания. Согласованные изменения концентрации CO2 и
температуры (как в геологическом прошлом, так и в настоящем) дали повод
считать, что именно от содержания CO2 зависел парниковый эффект и
приземная температура. При этом оставался вопрос: откуда в атмосфере брался
избыток CO2 и как он расходовался?
Выделяющийся из
земных недр и почвы CO2 поглощался растительностью и почвенными
микроорганизмами и вследствие высокой плотности не мог подниматься в атмосферу.
Основным его поглотителем, как уже отмечалось, служат гидросфера и
растительность, поглощающая и перерабатывающая CO2 при фотосинтезе.
Чем больше CO2 в атмосфере и чем выше температура, тем больше на
Земле фитомасса. При отсутствии притока CO2 растительность настолько
интенсивно поглощает его из атмосферы, что его содержание падает, и начинается
похолодание. Это четко прослеживается при анализе палеоклиматов. Какими бы
причинами ни вызывались потепления или похолодания, всегда отмечалась
корреляция между содержанием CO2 в атмосфере и растительным
покровом.
Ну, а что же
происходит ныне? На фоне потепления рост содержания CO2 в атмосфере
все больше связывают с антропогенным выбросами. Но ведь в прошлом, когда не
было человека, оно регулировалось природными процессами. Его приток из земных
недр, как и от антропогенных выбросов, невелик, ибо он гораздо тяжелее воздуха.
Его не поднимут в тропосферу даже потоки горячего воздуха и дыма. Но он мог
образоваться в результате разложения восходящих потоков метана, нарастающих,
например, при любых подвижках земной коры. Так, из анализа геологического
прошлого следует, что потеплениям всегда предшествовали расширение морского дна
и расхождение континентов.
Подводя итоги,
можно высказать предположение, что в нынешнем глобальном потеплении «повинен» в
основном метан, как уже отмечалось, интенсивно поступающий в атмосферу из
разных источников. Проверить это непосредственными наблюдениями непросто, ибо
скорость его перемещения в атмосфере высока, а срок жизни мал. Но неуклонный
рост содержания в атмосфере метана, фиксируемый в последние десятилетия,
заставляет усомниться в том, что потепление вызвано лишь антропогенными
факторами. А взяться ему есть откуда! И в нашу эпоху происходят медленные
перемещения литосферных плит, а на континентах (Байкал, Восточно-Африканские
Великие озера) и морском дне (Красное море, Индийский и Атлантический океаны)
образуются гигантские рифты, что сопровождается наземными и особенно подводными
базальтовыми излияниями. Все эти процессы могут сопровождаться масштабными
выбросами метана в атмосферу, что, как мы видели, способно вызвать потепление,
неоднократно отмечавшееся в прошлом.
Список
литературы
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://www.ecolife.ru/