Радиоуглеродное свидетельство антропогенной причины потепления

Алексей Бялко,
доктор физико-математических наук, Институт теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН (Москва)
«Природа» №9, 2017

Есть три научных вопроса, касающихся потепления климата. Как будет показано далее, их физическая природа различна. Поэтому оптимально сформулировать их раздельно и отвечать на них последовательно. Итак:

• Вопрос первый. Связано ли повышение средней глобальной температуры поверхности Земли с ростом атмосферной концентрации диоксида углерода CO₂?
• Вопрос второй. Вызвано ли это возрастание концентрации CO₂ индустриальным развитием цивилизации за последнее столетие, а именно активным использованием ископаемых топлив (угля, нефти, газа)?
• Вопрос третий. Что порождает растущую погодную неустойчивость — потепление климата или случайные факторы?

Эти вопросы тесно взаимосвязаны, а при обсуждении потепления климата в средствах массовой информации ответы на них произвольно или сознательно путают. Здесь мы постараемся научно обоснованно ответить на второй вопрос, но вначале выскажем мнение по первой и третьей проблеме.

Сложнее всего дать аргументированное заключение по первому пункту. То, что температура земной поверхности должна расти с увеличением содержания в атмосфере парниковых газов (паров воды и диоксида углерода CO₂), известно более 100 лет, со времени работы 1896 года Сванте Аррениуса [1]. Зависимость средней глобальной температуры от концентрации CO₂ называется климатической чувствительностью. Хотя физическая природа самого парникового эффекта загадки не представляет, вычислить климатическую чувствительность теоретически не удается из-за тесной взаимосвязанности вовлеченных процессов. Так, влажность атмосферы сама возрастает с температурой, а парниковый эффект зависит от состояния облачности. Водяные капли и кристаллы льда не вносят вклада в парниковый эффект, поэтому влияние водяных паров ограничено высотой облаков, тогда как действие диоксида углерода на тепловое излучение Земли простирается на всю атмосферу. К сожалению, теория облачности пока неполна. Например, нельзя с уверенностью сказать, была ли облачность в ледниковые периоды выше или ниже современной. В свою очередь, это означает, что оценки альбедо планеты в прошлом не очень достоверны.

Точнее всего вычислить климатическую чувствительность экспериментально удалось К. Снайдер по данным, полученным при бурении антарктических льдов [2] (ею обработана информация, относящаяся и к ледниковым, и к относительно теплым периодам, так называемым интергляциалам). Однако применимость в современных условиях найденной таким образом зависимости температуры от концентрации CO₂ пока строго не доказана, а работа Снайдер вызвала возражения [3], на которые она ответила [4], но убедила далеко не всех. Применимости климатической чувствительности к современному климату дополнительно препятствует тот факт, что в течение года изменения температуры опережают по фазе колебания концентрации CO₂ [5], хотя, казалось бы, причинная связь должна была быть обратной. К этому парадоксу мы еще вернемся.

Ответ на третий вопрос, связаны ли современные погодные катаклизмы с потеплением климата, имеет наблюдательную доказательность [6] и физическое обоснование. Оно состоит в том, что повышение поверхностной температуры усиливает конвекцию атмосферы. В частности, возрастает испарение воды океанов, что приводит к более частым наводнениям.

Далее мы не будем здесь рассматривать, как проходит потепление климата, а уточним связь регистрируемого роста атмосферной концентрации диоксида углерода с процессами его выделения при сжигании ископаемых топлив, его поглощения водами океана (и растениями суши) и обратного выделения в атмосферу.

Существенную информацию в этот анализ добавляют наблюдательные ряды измерений атмосферной концентрации радиоуглерода ¹⁴C. Радиоактивный изотоп углерода образуется естественным путем в результате взаимодействия космических лучей с азотом земной атмосферы и распадается с периодом полураспада, равным 5830 лет. Эти два процесса обеспечивали в прошлом примерно постоянную концентрацию ¹⁴C в земной атмосфере. Однако с началом ядерных испытаний ситуация резко изменилась. При ядерных взрывах в атмосфере нейтроны реагировали с азотом воздуха, образуя радиоуглерод, и его содержание в атмосфере стало возрастать.

Рис. 1. Изменение атмосферных концентраций радиоуглерода и CO₂ по отношению к их уровням 1950 г. Данные измерений радиоуглерода (черная кривая для Северного полушария, зеленая — для Южного) взяты из работ [8, 9, 10]. Хорошо известные данные измерений атмосферной концентрации CO₂ (синяя кривая) также нормированы на уровень 1950 г. Колебания всех экспериментальных зависимостей происходят с периодом 1 год, это сезонные вариации. Штриховая черная линия на кривой ¹⁴C — экспонента с характерным временем 13,5 лет, штриховая зеленая линия — экспонента с характерным временем 16,7 лет. Штриховая синяя линия CO₂ — сглаженные ежегодные средние

В 1958 г. академик А. Д. Сахаров указал на негативные биологические последствия роста концентрации радиоуглерода [7]. К тому времени наблюдаемый фон радиоуглерода намного превысил естественный. Вывод Сахарова о долговременном воздействии радиоуглерода на биоту оказался ошибочным — он не учитывал роль газообмена атмосферы с океаном, параметры которого в 50-х годах были неизвестны. Однако его статья сыграла важную роль при заключении Международного договора о запрещении ядерных испытаний в атмосфере (вступил в силу в октябре 1965 г.) Как видно из графика (рис. 1), который построен по данным измерений радиоуглерода [8–10] и диоксида углерода^*, после прекращения ядерных испытаний в атмосфере концентрация радиоуглерода начала спадать экспоненциально быстро.

Усредненное по сезонным колебаниям падение концентрации радиоуглерода отвечает зависимости 1,026 + 0,781exp[−(t − 1965)/τ]. Характерное время τ в экспоненте этого выражения равно 13,5 года. В Южном полушарии характерное время убывания радиоуглерода несколько больше, оно равно 16,7 года. Но существенно, что оба эти времени гораздо меньше периода полураспада ¹⁴C.

Поэтому естественный распад не мог внести заметный вклад в снижение его атмосферной концентрации. Единственное логичное объяснение этого быстрого падения состоит в том, что атмосферный радиоуглерод в виде диоксида активно поглощался океанской водой (и в меньшей степени растениями суши). Одновременно он разбавлялся стабильными изотопами углерода вследствие сжигания ископаемых топлив.

Рис. 2. Ежегодные вариации концентрации СО₂ (в частях на миллион) в зависимости от широты по сглаженным данным спутниковых измерений [11]. Максимум достигается в феврале, когда отопительный сезон в Северном полушарии увеличивает выбросы СО₂, а минимум — в августе в полярных широтах, когда диоксид активно поглощается Ледовитым океаном, освобождающимся ото льда. Вблизи Антарктиды газ поглощается почти равномерно в течение всего года. Выделенная кривая — сезонные вариации на 48° с. ш.

Влияние этих процессов на тренды всех зависимостей (рис. 2) было рассмотрено в работе автора [11], где получены уравнения, описывающие изменения концентраций для обоих изотопов углерода. Анализ наблюдательных данных позволил количественно вычислять потоки газов из атмосферы в океан и обратно за все время измерений. В частности, в этой работе показано, что до 1990 г. доминировало поглощение радиоуглерода океаном, а затем океан начал отдавать его в атмосферу.

Изменения концентраций радиоуглерода и его стабильных изотопов после прекращения атмосферных ядерных испытаний происходили в противоположных направлениях, хотя они одинаково поглощаются растениями суши и океанской водой. Почему? Причина очевидна: количество радиоуглерода в атмосфере более не возрастало, а содержание диоксида стабильных изотопов постоянно увеличивалось при сжигании угля, нефти и природного газа. Оба эти процесса несомненно имеют антропогенное происхождение.

Обратим также внимание на сезонные колебания концентраций радиоуглерода и диоксида углерода, их амплитуды и фазы. Прежде всего отметим, что величины амплитуд сезонных колебаний ¹⁴С и СО₂ относительно самих концентраций остаются почти постоянными во времени. С точностью до ошибок измерений, в обоих случаях относительная величина сезонных колебаний равна 0,10–0,12. Постоянство этого отношения (его небольшие нарушения связаны с влиянием феномена Эль-Ниньо) позволяет построить общую сезонную картину колебаний.

Освещенность планеты Солнцем, а следовательно, и все климатические зависимости имеют годичные и полугодичные периоды. Основанием для вычисления амплитуд и фаз колебаний СО₂ на разных широтах послужили спутниковые данные [12]. Средние амплитуды и фазы для широт с шагом в 10° определялись с помощью этих данных по формуле, учитывающей годичные и полугодичные периоды: a₁cos(2πt + ϕ₁) + a₂cos(4πt + ϕ₂). Последующее сглаживание позволило получить картину ежегодных сезонных вариаций концентрации диоксида углерода в разных широтных поясах с четко выраженными максимумом и минимумом. Максимум достигается в феврале, когда отопительный сезон в Северном полушарии увеличивает выбросы СО₂, а минимум — в августе в полярных широтах, когда диоксид активно поглощается Ледовитым океаном, освобождающимся ото льда. Вблизи Антарктиды газ поглощается почти равномерно в течение всего года.

Построенный таким образом двумерный график на плоскости переменных «месяц — географическая широта» наглядно свидетельствует о связи колебаний СО₂ с его выбросами в атмосферу при сжигании ископаемых топлив на тех широтах Северного полушария, где наиболее развита промышленность. Очевидно также интенсивное поглощение газа в полярных широтах и частичное обратное выделение его в атмосферу в экваториальных широтах. Сезонные вариации СО₂ дают возможность разъяснить отмеченный ранее парадокс.

Глядя на график рис. 2, легко понять, почему колебания глобальной температуры планеты на несколько месяцев опережают колебания диоксида углерода. Очевидная причина этого явления состоит в том, что драйвером (инициатором) повышенных выбросов СО₂ служит зимнее охлаждение Северного полушария. Океан и растительность суши не успевают компенсировать эти выбросы поглощением, поэтому концентрация диоксида возрастает, достигает своего максимума через месяц-полтора после самых холодных недель и затем снижается. В своей статье [5] О. Хумлум и его соавторы из запаздывания колебаний СО₂ делают вывод, что монотонная зависимость глобальной температуры от концентрации этого парникового газа (климатическая чувствительность) вообще несправедлива, поскольку де причина при этом опережает следствие. Это заключение ошибочно.

Рис. 3. Сравнение сезонных колебаний концентраций радиоуглерода (черная ломаная и ее периодическая штриховая аппроксимация) и диоксида углерода на широте 48° Северного полушария (синяя кривая). Они происходят практически в противофазе — по причине того, что максимум сжигания ископаемых топлив приходится на зимние месяцы Северного полушария, а затем газ СО₂ (максимум его концентрации достигается в феврале) заметно разбавляет атмосферный радиоуглерод

Обратимся теперь к сезонным колебаниям радиоуглерода. Для кривой ¹⁴С, приведенной на рис. 1, относительная годичная амплитуда и фаза оказались следующими: a₁¹⁴ = 0,013 ± 0,004; ϕ₁¹⁴ = 2,22 ± 0,03. Полугодичная амплитуда a₂¹⁴ оказалась пренебрежимо мала. Широта станции Schauinsland (Шауинсланд, Германия), где проводились измерения концентрации радиоуглерода, равна 47°55′ с. ш. На этой широте годичная амплитуда и фаза сезонных вариаций диоксида углерода равны a₁ = 0,014; ϕ₁ = 5,62 ≈ 2,22 + π. Отсюда следует, что колебания концентрации радиоуглерода находятся практически в противофазе с колебаниями СО₂. Это означает, что влияние разбавления атмосферного радиоуглерода индустриальной эмиссией от сжигания ископаемых топлив, не содержащих ¹⁴С, оказывается наиболее существенным фактором, определяющим сезонные колебания радиоуглерода. Амплитуда сезонных колебаний радиоуглерода в Южном полушарии близка к ошибкам измерений.

Из приведенного анализа следует однозначный вывод: антропогенное воздействие проявляется во временных зависимостях концентраций радиоуглерода и диоксида углерода, как в их трендах противоположных направлений, так и в противофазе сезонных колебаний.

Литература
1. Arrhenius S. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground // Philosophical Magazine and Journal of Science, Series 5. 1896; 41: 237–276.
2. Snyder C. W. Evolution of global temperature over the past two million years // Nature. 2016; 538: 226–228.
3. Schmidt G. A., Severinghaus J., Abe-Ouchi A. et al. Overestimate of committed warming // Nature. 2017; 547: E16.
4. Snyder C. W. Snyder replies // Nature. 2017; 547: E17.
5. Humlum O., Stordahl K., Solheim J. The phase relation between atmospheric carbon dioxide and global temperature // Global and Planetary Change. 2013; 100: 51–69.
6. Киселев А. А., Кароль И. Л. Чреда погодных аномалий — случайность или закономерность? // Природа. 2017; 7: 9–16.
7. Сахаров А. Д. Радиоактивный углерод ядерных взрывов и непороговые биологические эффекты // Атомная энергия. 1958; 4: 6–45.
8. Levin I., Kromer B. Twenty years of atmospheric ¹⁴CO₂ observations at Schauinsland station, Germany // Radiocarbon. 1997; 39: 205–218.
9. Miller J. B., Lehman S. J., Montzka S. A. Linking emissions of fossil fuel CO₂ and other anthropogenic trace gases using atmospheric ¹⁴CO₂ // Journal Geophysical Research. 2012; 117: D08302.
10. Manning M. R., Lowe D. C., Moss R. C. et al. The use of radiocarbon measurements in atmospheric sciences // Radiocarbon. 1990; 32: 37–58.
11. Byalko A. V. Variations of Radiocarbon Content and the Atmosphere-Ocean Gas Exchange // Doklady Physics. 2013; 58(7): 267.
12. Ruzmaikin A., Aumann H. H., Pagano T. S. Patterns of CO₂ variability from global satellite data // Journal of Climate. 2012; 25: 6383–6393.

^* National Oceanic and Atmospheric Administration Earth System Research Laboratory Data.