За свою историю Земля успела побыть снежным комом и теплицей. И если климат менялся до появления человека, то откуда нам знать, что это мы повинны в резком потеплении, которое наблюдаем сегодня?
Отчасти потому, что мы можем провести четкую причинно-следственную связь между антропогенными выбросами углекислого газа и повышением мировой температуры на 1,28 градуса Цельсия (которое, кстати, продолжается) по сравнению с доиндустриальной эпохой. Молекулы углекислого газа поглощают инфракрасное излучение, поэтому с ростом их количества в атмосфере они удерживают больше тепла, которое испаряется с поверхности планеты.
При этом палеоклиматологи добились больших успехов в понимании процессов, которые приводили к изменениям климата в прошлом. Вот десять случаев естественной смены климата — в сравнении с нынешней ситуацией.
Солнечные циклы
Масштаб: похолодание на 0,1-0,3 градуса Цельсия
Сроки: периодические спады солнечной активности протяженностью от 30 до 160 лет, разделенные несколькими веками
Каждые 11 лет солнечное магнитное поле меняется, и с ним приходят 11-летние циклы увеличения яркости и потускнения. Но колебания эти невелики и на климате Земли сказываются лишь незначительно.
Куда важнее «большие солнечные минимумы», десятилетние периоды снижения солнечной активности, случавшиеся за последние 11 000 лет 25 раз. Недавний пример, минимум Маундера, пришелся между 1645 и 1715 годами и привел к падению солнечной энергии на 0,04%-0,08% ниже современного среднего уровня. Долгое время ученые полагали, что минимум Маундера мог вызвать «малый ледниковый период», похолодание, продлившееся с XV по XIX век. Но с тех пор выяснилось, что он был слишком краток и произошел не в то время. Похолодание же, по всей видимости, было вызвано вулканической активностью.
Последние полвека Солнце слегка тускнеет, а Земля нагревается, и связать глобальное потепление с небесным светилом нельзя.
Вулканическая сера
Масштаб: похолодание на 0,6 — 2 градуса Цельсия
Сроки: от 1 до 20 лет
В 539 или 540 году н. э. произошло столь мощное извержение вулкана Илопанго в Сальвадоре, что его шлейф достиг стратосферы. Впоследствии холодные лета, засуха, голод и чума разорили поселения по всему миру.
Извержения масштаба Илопанго выбрасывают в стратосферу светоотражающие капли серной кислоты, которые экранируют солнечный свет и охлаждают климат. В результате нарастает морской лед, больше солнечного света отражается обратно в космос и глобальное похолодание усиливается и продлевается.
Вслед за извержением Илопанго мировая температура опустилась на 2 градуса в течение 20 лет. Уже в нашу эру извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году охладило глобальный климат на 0,6 градуса сроком на 15 месяцев.
Вулканическая сера в стратосфере может привести к разрушительным последствиям, но в масштабах истории Земли ее эффект крошечный и к тому же проходящий.
Краткосрочные колебания климата
Масштаб: до 0,15 градуса Цельсия
Сроки: от 2 до 7 лет
Помимо сезонных погодных условий, существуют и другие краткосрочные циклы, которые тоже влияют на количество осадков и температуру. Наиболее значимое из них, Эль-Ниньо или Южная осцилляция, — периодические изменения циркуляции в тропическом Тихом океане сроком от двух до семи лет, которые сказываются на количестве осадков в Северной Америке. Сильное региональное воздействие оказывают Североатлантическая осцилляция и Диполь Индийского океана. Оба взаимодействуют с Эль-Ниньо.
Взаимосвязь этих циклов долгое время мешала доказать, что антропогенное изменение статистически значимо, а не просто очередной скачок естественной изменчивости. Но с тех пор антропогенное изменение климата шагнуло далеко за пределы естественной изменчивости погоды и сезонных температур. Национальная оценка климата США за 2017 год пришла к выводу, что «среди данных наблюдений не обнаружено убедительных доказательств, которые могли бы объяснить наблюдаемые изменения климата природными циклами».
Орбитальные колебания
Масштаб: приблизительно 6 градусов Цельсия за последний 100 000-летний цикл; меняется в зависимости от геологического времени
Сроки: регулярные, перекрывающиеся циклы в 23 000, 41 000, 100 000, 405 000 и 2 400 000 лет
В эпоху плейстоцена, которая закончилась около 11 700 лет назад, циклы Миланковича отправили планету в один из ее ледниковых периодов. Когда сдвиг земной орбиты сделал северное лето теплее среднего, массивные ледяные щиты в Северной Америке, Европе и Азии растаяли; когда орбита снова сдвинулась и лета снова стали холоднее, эти щиты наросли заново. Поскольку теплый океан растворяет меньше углекислого газа, сего содержание в атмосфере увеличивалось и падало в унисон с орбитальными колебаниями, усиливая их эффект.
Сегодня Земля приближается к очередному минимуму северного солнечного света, поэтому без антропогенных выбросов углекислого газа мы вступили бы в новый ледниковый период в ближайшие 1 500 лет или около того.
Слабое молодое солнце
Масштаб: суммарного температурного эффекта нет
Сроки: постоянные
Несмотря на краткосрочные колебания, яркость солнца в целом увеличивается на 0,009% за миллион лет, а с момента рождения Солнечной системы 4,5 миллиарда лет назад она выросла на 48%.
Ученые полагают, что из слабости молодого солнца должно следовать, что Земля оставалась замерзшей всю первую половину своего существования. При этом, как ни парадоксально, геологи обнаружили камни возрастом 3,4 миллиарда лет, образовавшиеся в воде с волнами. Неожиданно теплый климат ранней Земли, по всей видимости, объясняется некоторой комбинацией факторов: меньшей эрозией суши, более ясным небом, более коротким днем и особым составом атмосферы до того, как Земля получила атмосферу, богатую кислородом.
Благоприятные условия во второй половине существования Земли, несмотря на увеличение яркости солнца, к парадоксу не приводят: термостат выветривания Земли противодействует воздействию дополнительного солнечного света, стабилизируя Землю.
Двуокись углерода и термостат выветривания
Масштаб: противодействует другим изменениям
Сроки: 100 000 лет или дольше
Основным регулятором климата Земли долгое время был уровень содержания углекислого газа в атмосфере, поскольку двуокись углерода — стойкий парниковый газ, который блокирует тепло, мешая ему подниматься с поверхности планеты.
Вулканы, метаморфические породы и окисление углерода в эродированных отложениях — все они выделяют в небо углекислый газ, а химические реакции с силикатными породами удаляют из атмосферы углекислый газ, образуя известняк. Баланс между этими процессами работает как термостат, потому что, когда климат нагревается, химические реакции эффективнее удаляют углекислый газ, тормозя при этом потепление. Когда же климат остывает, эффективность реакций наоборот падает, облегчая охлаждение. Следовательно, в течение долгого периода климат Земли оставался относительно стабильным, обеспечивая обитаемую среду. В частности, средние уровни углекислого газа неуклонно снижались в результате увеличения яркости Солнца.
Однако чтобы термостат выветривания отреагировал на скачок углекислого газа в атмосфере, требуются сотни миллионов лет. Земные океаны поглощают и удаляют избыток углерода быстрее, но даже этот процесс занимает тысячелетия — и может быть остановлен, что чревато подкислением океана. Каждый год при сжигании ископаемого топлива выделяется примерно в 100 раз больше углекислого газа, чем извергают вулканы, — океаны и выветривание не справляются, — поэтому климат нагревается, а океаны окисляются.
Тектонические сдвиги
Масштаб: примерно 30 градусов Цельсия за последние 500 миллионов лет
Сроки: миллионы лет
Движение сухопутных масс земной коры может медленно сместить термостат выветривания в новое положение.
Последние 50 миллионов лет планета охлаждается, тектонические столкновения плит выталкивают в теплых влажных тропиках химически реактивные породы вроде базальта и вулканический пепел, увеличивая скорость реакций, притягивающих углекислый газ с неба. Кроме того, за последние 20 миллионов лет с появлением Гималаев, Анд, Альп и других гор скорость эрозии увеличилась более чем в два раза, что привело к ускорению выветривания. Еще одним фактором, ускорившим тенденцию к похолоданию, стало отделение Южной Америки и Тасмании от Антарктики 35,7 миллионов лет назад. Образовалось новое океанское течение вокруг Антарктиды, и оно активизировало циркуляцию вод и планктона, который потребляет углекислый газ. В результате ледовые щиты Антарктиды значительно выросли.
Ранее, в юрский и меловой периоды, по Антарктиде бродили динозавры, потому что без этих горных цепей усиленная вулканическая активность позволяла поддерживать углекислый газ на уровне порядка 1 000 частей на миллион (по сравнению с 415 сегодня). Средняя температура в этом свободном ото льда мире была на 5-9 градусов Цельсия выше, чем сейчас, а уровень моря был выше на 75 метров.
Падения астероидов (Чикшулуб)
Масштаб: сначала охлаждение приблизительно на 20 градусов Цельсия, затем потепление на 5 градусов Цельсия
Сроки: столетия охлаждения, 100 000 лет потепления
В базе данных по ударам астероидов о Землю зарегистрировано 190 кратеров. Ни один из них заметного влияния на климат Земли не оказал, за исключением астероида Чикшулуб, который 66 миллионов лет назад уничтожил часть Мексики и убил динозавров. Компьютерное моделирование показывает, что Чикшулуб выбросил в верхние слои атмосферы достаточно пыли и серы, чтобы затмить солнечный свет и охладить Землю более чем на 20 градусов Цельсия, а также окислить океаны. Планете потребовались столетия, чтобы вернуться к прежней температуре, но затем она нагрелась еще на 5 градусов из-за попадания в атмосферу углекислого газа из уничтоженного мексиканского известняка.
Вопрос, как на изменении климата и массовом вымирании сказалась вулканическая активность в Индии, остается спорным.
Эволюционные изменения
Масштаб: зависит от события, охлаждение на порядка 5 градусов Цельсия в позднем ордовикском периоде (445 миллионов лет назад)
Сроки: миллионы лет
Иногда эволюция новых видов жизни сбрасывает термостат Земли. Так, фотосинтетические цианобактерии, возникшие около 3 миллиардов лет назад, запустили процесс терраформирования, выделяя кислород. По мере их распространения, содержание кислорода в атмосфере 2,4 миллиарда лет назад росло, а уровень метана и углекислого газа резко упал. На протяжении 200 миллионов лет Земля несколько раз превращалась в «снежок». 717 миллионов лет назад эволюция океанической жизни, более крупной, чем микробы, запустила еще одну серию «снежков» — в данном случае из-за того, что организмы начали выпускать в океанскую пучину детрит, забирая из атмосферы углерод и пряча его на глубине.
Когда примерно через 230 миллионов лет в ордовикский период появились самые ранние сухопутные растения, они начали формировать земную биосферу, закапывая на континентах углерод и извлекая из суши питательные вещества, — они вымывались в океаны и тоже стимулировали там жизнь. Эти изменения, по всей видимости, привели к ледниковому периоду, который начался около 445 миллионов лет назад. Позже, в девонский период, эволюция деревьев вкупе с горообразованием еще сильнее снизила уровень углекислого газа и температуру, и начался палеозойский ледниковый период.
Крупные магматические провинции
Масштаб: потепление от 3 до 9 градусов Цельсия
Сроки: сотни тысяч лет
Континентальные наводнения лавы и подземной магмы — так называемые крупные магматические провинции — повлекли за собой не одно массовое вымирание. Эти ужасные события напустили на Землю целый арсенал убийц (в том числе кислотные дожди, кислотный туман, отравление ртутью и разрушение озонового слоя), а также привели к потеплению планеты, выбрасывая в атмосферу огромное количество метана и углекислого газа — быстрее, чем с ними мог справиться термостат выветривания.
Во время Пермской катастрофы 252 миллиона лет назад, которая уничтожила 81% морских видов, подземная магма подожгла сибирский уголь, подняла содержание двуокиси углерода в атмосфере до 8 000 частей на миллион и разогрела температуру на 5-9 градусов по Цельсию. Палеоцен-эоценовый термический максимум, событие меньшего масштаба 56 миллионов лет назад, создал метан в нефтяных месторождениях Северной Атлантики и отправил его в небо, разогрев планету на 5 градусов по Цельсию и подкислив океан. Впоследствии на арктических берегах выросли пальмы и нежились аллигаторы. Подобные выбросы ископаемого углерода произошли в конце триаса и в начале юрского периода — и кончились глобальным потеплением, мертвыми зонами в океане и его подкислением.
Если что-то из этого покажется вам знакомым, то это потому, что антропогенная деятельность сегодня влечет за собой аналогичные последствия.
Как отметила в апреле в журнале Nature Communications группа исследователей, изучающих триасово-юрское вымирание: «По нашим оценкам, количество двуокиси углерода, выброшенное в атмосферу каждым магматическим импульсом в конце триаса, сопоставимо с прогнозом антропогенных выбросов на XXI век».
