Миллиарды и миллиарды. Размышления о жизни и смерти на рубеже тысячелетий - Карл Эдвард Саган

С + О₂ → СО₂,

являющегося парниковым газом.

* * *

От чего зависит средняя температура на Земле, планетарный климат? Количество тепла, поступающего от центра Земли, пренебрежимо мало по сравнению с теплом, которое несут на поверхность планеты солнечные лучи. Если бы Солнце вдруг погасло, температура на Земле упала бы настолько, что воздух бы замерз и планету покрыл бы 10-метровый слой снега из азота и кислорода. Мы знаем, сколько солнечного света достигает Земли, нагревая ее. Можно ли вычислить, какой должна быть средняя температура на ее поверхности? Это простой расчет, требующий лишь базовых знаний астрономии и метеорологии, – очередной пример наглядности и красоты количественного анализа.

Количество солнечной энергии, поглощаемой Землей, должно соответствовать количеству энергии, излучаемой обратно в космос. Мы и не задумываемся о том, что Земля – излучающее тело, и во время ночного полета на самолете не видим ничего светящегося на ее поверхности (за исключением городов). Дело в том, что мы воспринимаем ее в обычном видимом свете, к которому чувствителен человеческий глаз. Если бы мы могли, миновав красную область видимого диапазона, заглянуть в так называемую тепловую инфракрасную часть спектра – например, с длиной волны в 20 раз большей, чем у желтого света, – то увидели бы, что Земля светится собственным таинственным холодным инфракрасным свечением: в области Сахары сильнее, чем в Антарктике, днем интенсивнее, чем ночью. Это не отраженный солнечный свет, а тепло самой планеты. Чем больше энергии поступает от Солнца, тем больше Земля излучает в космос. Чем теплее Земля, тем ярче она светится во тьме.

Степень нагрева планеты зависит от интенсивности свечения Солнца и отражательной способности Земли. Все, что не отразилось обратно в космос, поглощается поверхностью, облаками и воздухом. Если бы Земля была идеальным отражателем, как зеркало, падающие солнечные лучи вообще бы ее не нагревали. Разумеется, большая часть отражаемого света относится к видимой части спектра. Приравниваем поступающее тепло (зависящее от степени поглощения солнечного света Землей) к отдаваемому (что определяется земной температурой) и получаем расчетную температуру нашей планеты. Что может быть проще! Каков же результат?

Расчет показывает, что средняя температура Земли должна быть примерно 20 °С ниже нуля. Океаны превратились бы в гигантские глыбы льда, а мы просто вымерзли бы. Земля была бы непригодной для жизни практически всех биологических видов. Где же мы ошиблись?

Ошибка не в вычислениях как таковых. Мы просто не учли один фактор – парниковый эффект. Мы рассуждали так, словно у Земли нет атмосферы. Но воздух, прозрачный для видимого света (за исключением таких мест, как Денвер и Лос-Анджелес), значительно менее проницаем для теплового инфракрасного излучения, а именно в этой части спектра Земля отдает тепло в космос. Эта разница оказывается принципиальной. Некоторые газы в нашей атмосфере – углекислый газ, водяной пар, определенные оксиды азота, метан, хлорфторуглероды – активно поглощают инфракрасное излучение, являясь практически прозрачными для видимого света. Когда планету окружает слой таких газов, солнечный свет все равно достигает ее поверхности, но собственное излучение планеты не уходит в космос, его задерживает поглощающее инфракрасные лучи газовое одеяло. В видимом свете оно прозрачно, в инфракрасном диапазоне полупрозрачно. Вследствие этого температура Земли должна повыситься, чтобы сохранить равновесие между теплом, поступающим от Солнца и отводимым от ее поверхности собственным излучением. Учтя в уравнении проницаемость парниковых газов для инфракрасного излучения и количество удерживаемого ими тепла Земли, вы получите правильный ответ: в среднем – по всем временам года, широтам и времени суток – около 13 °С выше нуля. Поэтому океаны не замерзают, и климат благоприятствует жизни биологических видов и человеческой цивилизации.

Наша жизнь зависит от тонкого баланса невидимых газов, составляющих малую часть земной атмосферы. В ограниченном масштабе парниковый эффект полезен. Но с увеличением содержания парниковых газов – а мы наращиваем его непрерывно с начала промышленной революции – количество поглощаемого инфракрасного излучения также растет. Одеяло становится толще. Земля нагревается сильнее.

Для общественности и политиков все эти невидимые газы, инфракрасное одеяло и расчеты физиков – просто сотрясание воздуха. Прежде чем принять трудное решение о выделении средств, не разумно ли дождаться более надежных свидетельств того, что парниковый эффект вообще существует и с определенного момента становится опасным? Что ж, у нас перед глазами имеется поучительный пример – соседняя планета. Венера немного ближе к Солнцу, чем Земля, но затянувшие ее облака обладают такой высокой отражающей способностью, что она поглощает меньше солнечного света. В отсутствие парникового эффекта на ней было бы холоднее, чем на Земле. Размерами и массой Венера очень похожа на Землю – казалось бы, чудесное землеподобное местечко, рай для будущих туристов. Однако, отправив космический аппарат через венерианские облака – к слову, состоящие в основном из серной кислоты, – как сделал Советский Союз, создавший новаторскую серию исследовательских аппаратов «Венера», – вы обнаружите там чрезвычайно плотную атмосферу, преимущественно из углекислоты, с давлением у поверхности в 90 раз больше земного. Теперь, по примеру спускаемого аппарата «Венера», воткните в эту атмосферу термометр, и вы намеряете около 470 °С – достаточно, чтобы расплавить олово и свинец. Температура на поверхности Венеры выше, чем в самой жаркой кухонной духовке, из-за парникового эффекта, главной причиной которого является мощная атмосфера из углекислого газа. (Имеются также малые количества водяного пара и других газов, поглощающих инфракрасное излучение.) Венера – наглядный пример негативных последствий избытка парниковых газов. Вот куда нужно тыкать носом ангажированных ведущих ток-шоу, называющих парниковый эффект «уткой».