Мировая утопия

В феврале 2008 года семь английских ученых, недавно избранных в Национальную академию наук США, подготовили доклад о тех критических параметрах, преодоление которых приведет к переходу биосферы в новое состояние («Proceedings of the National Academy of Science», 2008, т.105, № 6). Аналогичную проблему, но с несколько другой точки зрения рассмотрела группа в составе двадцати шести ученых из институтов стран Европы во главе с Йоханом Рокстрёмом из Стокгольмского центра «Resilience» («Ecology and Society», 2009, № 9).

Аргументация предложена такая. Измеряя концентрацию изотопа кислорода-18 и дейтерия в ископаемом льду, можно установить, какая температура была в момент его образования. Этот метод основан на том, что с увеличением температуры океана в его испарениях растет доля молекул воды, содержащих тяжелые изотопы кислорода и водорода. Соответственно ими обогащаются и выпадающие осадки, которые и формируют ледники. Данные по бурению многочисленных ледников, прежде всего в Гренландии и Антарктиде, позволяют проследить, как изменялось содержание тяжелых изотопов, а значит, и температура, определяющая климат планеты на протяжении нескольких сотен тысяч лет или дольше.

Рис.1 Об изменении температуры на протяжении тысячелетий можно судить по содержанию дейтерия и тяжелого кислорода во льдах. По данным бурения льда на антарктической станции Восток (а) удалось узнать об изменениях климата за 400 тыс. лет («Вестник РАН», 2005, т. 75, № 2), а глядя на кривую изменения содержания тяжелого кислорода в предшествующее межледниковье (б), получить новый взгляд на события человеческой истории (из статьи O.R. Young, W.Steffen, «The Earth System: Sustaining planetary life-support systems» в сборнике «Principles of Ecosystem Stewardship: Resilience-Based Natural Resource Management in a Changing World», 2009)

Сведения о последних 400 тысячах лет, полученные при бурении ледника у антарктической станции «Восток» (рис. 1а), зафиксировали изменения температуры при нескольких ледниковых и межледниковых периодах. Для нас, людей, практическую пользу представляет информация о последнем и предпоследнем, закончившемся 130 тысяч лет назад. Дело в том, что именно в предпоследнем межледниковье, примерно 80 тысяч лет назад, человек разумный покинул пределы Африки и пошел гулять по планете (рис. 1б). Эти данные свидетельствуют, что на протяжении тысячелетий климат менялся не один раз и порой очень резко: в считанные годы средняя температура падала на 10-20 градусов, а потом столь же быстро поднималась. Однако последние 11 тысяч лет она подозрительно долго держится примерно на одном и том же уровне, и этот период называется голоценом. Правда, данные, приводимые разными учеными, несколько расходятся. Так, из вариаций содержания дейтерия (рис. 1а) следует, что при таянии ледника температура была гораздо выше, чем сейчас, затем понизилась, а сейчас слегка подрастает. По измерениям же тяжелого кислорода такого сильного провала не замечено (рис. 1б), зато есть хороший пик примерно 13 тыс. лет тому назад, которого нет на дейтериевой кривой. Обращает на себя внимание то обстоятельство, что схожий ход кривой охлаждения в начале всех четырех межледниковий: быстрое потепление, похолодание, стабилизация и снова похолодание — невозможно заметить на рис. 1б, где отсутствуют первые 30 тыс. Так голоценовая стабилизация оказывается в статье сторонников антропогенного потепления уникальным событием.

В любом случае именно в период стабилизации климата, начавшийся после таяния последнего ледника, человек превратился из маргинального собирателя падали в повелителя планеты, совершил по ходу дела неолитическую зеленую революцию, то есть занялся сельским хозяйством, научился обрабатывать металлы и глину, строить прочные дома и вообще преобразовывать природу в своих интересах. Промышленная революция, случившаяся после буржуазной революции в Нидерландах в XVI веке, и последовавшая в XX веке научно-техническая революция дали человечеству такое могущество, что оно превратилось в новую геологическую силу планеты. Многие геологи уверены (см. «Химию и жизнь», 2008, № 2), что фактически мы живем сейчас в новом геологическом периоде — антропоцене.

Рис.2 Изменение температуры в голоцене («Вестник РАН», 2005, т. 75, № 2)

Температура на протяжении голоцена менялась, но не очень сильно (рис. 2). После таяния ледника 12 тысяч лет назад она стабильно росла и достигла максимума 6 тысяч лет назад, когда температура в районе Москвы была выше нынешней на 1,5—2 градуса. Этот период, закончившийся 4 тыс. лет тому назад, получил название голоценового климатического оптимума. Затем случилось похолодание, а в антропоцене началось потепление, причем очень быстрое. По данным Годдардовского института космических исследований НАСА, с 1880 по 2008 год средняя глобальная температура выросла на 0,69 градуса.

Отсюда мировое сообщество ученых сделало два важных вывода. Первый состоит в том, что именно необычная стабильность климата на протяжении тысячелетий и обеспечила все достижения человека. Поэтому чрезмерные изменения этих условий могут человеку навредить, во всяком случае, сильно переменить его нынешний образ жизни. А второй вывод — в изменении климата повинен именно человек. Поэтому-то для сохранения голоценовой стабильности нужно ограничить его деятельность как силы геологического масштаба. При всей очевидности первого вывода второй вызывает серьезные сомнения, поскольку в соответствии с Гегелем мир находится в вечном движении, причем по спирали, а вовсе не стоит на месте. Земля вращается вокруг Солнца не по постоянной орбите: периодически меняются ее эллиптичность, угол наклона оси планеты к орбите и другие параметры, что и вызывает 100 000-летний и другие многотысячелетние циклы. Само Солнце смещается на несколько своих диаметров под действием Юпитера и Сатурна, видимо определяя 80-летний цикл потепления-похолодания (более подробно о таких циклах можно узнать из статьи океанологов академика А.С.Монина и кандидата физико-математических наук А.А.Берестова, опубликованной в журнале «Вестник РАН», 2005, № 2). Солнечная система путешествует по Галактике, которую тоже нельзя назвать однородной, да и внутри Земли действуют непростые процессы. Например, геофизик академик Н.А.Шило считает, что потепление вызвано именно внутренним разогревом Земли (см. «Вестник РАН», 2009, № 5). Не будем забывать и непонятные явления наподобие начавшейся как раз в антропоцене магнитной переполюсовки, которая идет с ускорением (см. «Химию и жизнь», 2007, № 2), или намеки на потепление других планет Солнечной системы вроде возникновения новых красных и исчезновения белых пятен на Юпитере (см. сообщение агентства «NewsWise» от 21 мая 2008 или статью Филиппа Маркуса в «Nature», 2004, т. 428, с. 828). Однако общественное мнение успело сложиться: большинство специалистов, главным образом зарубежных, не говоря уж об общественности, уверено, что в изменении климата повинен человек и, стало быть, он же может, исправив свое поведение, эти изменения повернуть вспять. С некоторыми дискуссиями на эту тему можно ознакомиться, прочитав статьи в мартовском и апрельском номерах журнала «Химия и жизнь» за 2007 год.

Рис. 3 В книге «Физики шутят» есть такая рекомендация: если хочешь показать, что зависимость есть, — сделай точки мельче, ошибку измерения — тоньше, а сам график — толще. Если хочешь доказать обратное — поступи наоборот. Похоже, что участники спора подсознательно придерживаются этой рекомендации и рисуют, в сущности, один и тот же график по-разному. Наверху — рисунок из статьи А С.Монина, С. С.Берестова («Вестник РАН», 2005, т. 75, № 2). В его нижней части показана карта изолиний значений так называемого вейвлетного преобразования, которое позволяет выявлять скрытые периоды в переменной функции, а толстой линией в верхней — измеренная зависимость средней глобальной температуры от времени; внизу — рисунок из статьи Уоллеса Брюкера, Колумбийский университет (США), показывающий изменения температуры в антропоцене по результатам исследований гренландского льда, взятого в районе базы Кэмп сенчури, метеоданным и прогноз антропогенного потепления («Science», 1975, т. 189, № 4201)

Из этого мнения последовали серьезные выводы, сформулированные сначала в Киотском протоколе, а теперь — в виде предложений ограничить всю деятельность человека. Возможно, эти идеи утопичны, а может быть, они действительно принесут пользу. Предложено ввести девять границ — предельных значений важнейших параметров, определяющих устойчивость среды обитания современного человека. Переход за эти границы может привести планету к другому режиму функционирования. Причем перемены будут резкими, скачкообразными, поскольку авторы идеи считают, что, находясь в критической точке, Земля может быть неустойчива к малым воздействиям. Человечество уже наблюдало подобные изменения: внезапное опустынивание Сахары, высыхание Аральского моря в считанные годы или возникновение озоновых дыр. В будущем просматриваются перспективы резкого изменения режима Гольфстрима, тропических муссонов, внезапное исчезновение джунглей Амазонки и прочие неприятности. Перечень опасных границ мы начнем с самой известной, обсуждаемой и наиболее противоречивой проблемы.

Изменения климата

Глобальное потепление — общеизвестный факт, однако его возможные причины и соответственно методы борьбы с ним вызывают серьезные споры как среди ученых, так и среди политиков. Начал дискуссию еще Сванте Аррениус, который одним из первых подсчитал, что если жечь ископаемое топливо, то рано или поздно (по его оценке начала XX века — через тысячу лет) содержание углекислого газа в атмосфере вырастет в два раза, а средняя температура планеты увеличится на шесть градусов. Эта идея в ходе бурных событий первой половины XX века, казалось, была надежно похоронена. Тем не менее в шестидесятых годах она снова возродилась. Как пишет Томас Петерсон из Национальной администрации океана и атмосферы (США) в статье «Миф о научном консенсусе относительно глобального похолодания в 70-х» («Bulletin of the American Meteorological Society», 2008, с. 1325), произошло это в США, когда президент Линдон Джонсон озаботился охраной окружающей среды и попросил комиссию экспертов подготовить доклад о загрязнении атмосферы. В этом докладе сама собой всплыла тема загрязнения углекислым газом, которое приводит к парниковому эффекту и, стало быть, может вызывать глобальное потепление. Тогда, в середине шестидесятых, говорить о глобальном потеплении было несколько рискованным, поскольку на это время пришелся ниспадающий участок восьмидесятилетнего (по другим данным — шестидесятилетнего) температурного цикла и в мире шло глобальное похолодание, которое закончилось к середине семидесятых. Однако доклад сработал как бомба замедленного действия. Во всяком случае, считается, что именно тогда ученые всерьез занялись этой проблемой, начали проводить длительные измерения содержания углекислого газа, смотреть на долговременные записи изменения температуры, изучать керны льда и осадочных пород, фиксирующие климатические события прошедших тысячелетий. Число же публикаций по парниковому эффекту росло все быстрей, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере было надежно зафиксировано, и это увеличение, следуя Аррениусу, приписали деятельности человека.

Поначалу раздавались голоса в поддержку гипотезы глобального похолодания, которое в соответствии с длительными циклами должно начаться в период с 2000 по 2012 год. Однако таких статей было немного, их почти никто не читал, а главное, мало цитировали (индекс цитирования, как известно, — главный критерий успешности современного ученого). Статьи же о потеплении цитировали в среднем в сто раз чаще. В общем, большинством голосов истина была установлена: глобальное похолодание если и случится, то через 20 тысяч лет, в соответствии с циклом изменения орбитального движения Земли, а пока что у нас идет глобальное потепление, причем связанное именно со сжиганием ископаемого топлива человеком. Что же касается другой стороны его деятельности — выброса при сгорании того же топлива аэрозолей, которые могут охлаждать планету, инициируя образование облаков и отражая свет, то их эффект способен компенсировать антропогенный парниковый эффект лишь частично. Вспомним, что помимо углекислого газа человеческая деятельность вызывает образование еще нескольких парниковых газов, прежде всего метана и закиси азота. Только их вклад аэрозоли и компенсируют. Кроме того, некоторые аэрозоли, напротив, способствуют глобальному потеплению: черная сажа не отражает солнечные лучи, а поглощает.

Этот вывод был сделан, напомним, в середине семидесятых годов. Тогда не было ни мощных суперкомпьютеров, чтобы строить мало-мальски адекватные модели климата, ни космического мониторинга, чтобы измерять глобальное распределение температуры для точного вычисления среднего значения по планете, ни многого другого. Так, например, как отмечает Рейд Брисон из Института изучения окружающей среды Висконсинского университета в журнале «Science», 1974, т. 184, № 4138, чтобы доказать, что парниковый эффект действительно ответствен за рост температуры, надо измерять разницу потоков тепла, идущих от Земли и от верхней атмосферы, с недостижимой в то время точностью 1,6%, или 0,004 кал/(см²·мин).

Со дня подписания конвенции было проведено множество тщательных исследований и получено много новых данных. Однако научная достоверность факта антропогенного глобального потепления от этого существенно не увеличилась. Вот, например, фраза из Второго оценочного доклада (1995): «По-прежнему остаются большие неопределенности и пробелы в знании и понимании процессов. Ученые осознают, что климат меняется, но затрудняются отделить вклад человека от «шума» — природной вариабельности климата. Таким образом, несмотря на то, что долю ответственности человека определить трудно, ясно, что человеческая деятельность стала новым мощным стрессом для климатической системы». Смысл этой фразы станет понятен, если вспомнить (см. статью академика Г.А.Заварзина и доктора биологических наук В.Н.Кудеярова в «Вестнике РАН», 2006, т. 76, № 1), что биосфера в целом выделяет 204—234 Гт углекислого газа в пересчете на углерод, а сгорание органического топлива дает 6,5 Гт, что гораздо меньше только неопределенности оценки общей эмиссии этого газа планетой. Тем не менее в Третьем оценочном докладе 2001 года были даны уже численные оценки грядущих антропогенных изменений климата. Так, отмечалось, что за 200 лет концентрация углекислого газа выросла с 280 до 360 ррт (то есть миллионных долей, или миллиграммов в кубометре воздуха, вес которого считается равным килограмму).

Аналогично выросли концентрации метана и закиси азота N₂O. Исходя из оценок развития энергетики, получено, что к 2100 году концентрация CO₂ (с учетом остальных пяти антропогенных парниковых газов, отмеченных в конвенции: метана, закиси азота, перфтор- и гидрофторуглеродов и гексафторида серы после их приведения к углекислому газу в соответствии со степенью вызываемого парникового эффекта) вырастет до 540-970 ррт, и это поднимет температуру планеты на 1,4—5,8°C по сравнению с 1990 годом. Правда, в этот список не вошел один из сильнейших парниковых газов — водяной пар, концентрация которого в нижних слоях атмосферы колеблется от 3% в тропиках до 2·10^-5% в Антарктиде и по мере потепления возрастает. Видимо, поскольку выбросы этого газа не связаны с деятельностью человека, его учитывать не стали. А зря. По мнению того же академика А.С.Монина, его вклад в три раза сильнее вклада имеющегося углекислого газа: если бы из атмосферы исчез весь водяной пар, то планета остыла бы на 20°C, а исчезни весь углекислый — чуть больше, чем на 7°C. Однако рассчитывать цикл водяного пара сложно, ведь он в одном месте испаряется, а в другом выпадает осадками, да еще в виде какого-нибудь долго не тающего снега. С круговоротом же углекислого газа ситуация считается несколько проще.

Как бы то ни было, изучение палеоклимата, проведенное многими исследователями, свидетельствует (пишет Йохан Рокстрём с коллегами), что при концентрации углекислого газа 450 ррт планета полностью освобождается от ледяного покрова. Если это произойдет, то огромные прибрежные и многие внутриконтинентальные низменные районы окажутся под водой. Очевидно, что для человечества это ведет к очень сильным неприятностям. Тут, однако, начинается некоторая путаница в показаниях разных авторов. Например, в докладе секретариата Конвенции «Первые десять лет», изданном в 2004 году, сказано, что, по результатам расчета, уровень Мирового океана к 2100 году в худшем случае (то есть при 970 ррт углекислого газа и потеплении на 5,8°C) поднимется всего на один метр, то есть лед лишь слегка подтает. Ведь полное таяние только ледников Гренландии дает подъем уровня моря в среднем на пять метров.

В любом случае, очевидно, что, если принять гипотезу антропогенного парникового эффекта как виновника зла, нужно устанавливать границу содержания углекислого газа на уровне 325 ррт, что соответствует теплому началу XX века. Мы этот предел уже перевалили. Чтобы к нему вернуться, нужно, как считается, сокращать выбросы и изымать углекислый газ из атмосферы. Этому был посвящен Киотский протокол, а промежуточные итоги подведены в уже упомянутом докладе «Первые десять лет». Там, в частности, сказано, что за период с 1990 по 2001 год развитые страны сократили выбросы на 6,6%. Однако этот результат достигнут в основном за счет падения выбросов на 39,7% в странах СЭВ и республиках Советского Союза, а в высокоразвитых странах они выросли на 7,5%. Правда, в пересчете на единицу ВВП выбросы упали у всех стран. Возможно, в будущем борьба международного сообщества с углекислым и другими парниковыми газами антропогенного происхождения пойдет успешнее.

А чем грозит глобальное потепление? Данные об этом приведены в статье английских ученых, о которой говорилось вначале. Так, при потеплении от уровня 1999 года на 0,5-2°C летом Северный Ледовитый океан будет полностью избавлен ото льда, и случится это за десятилетие. При потеплении на 3°C начнет таять ледник Гренландии и уровень моря повысится на 2-7 метров. Еще пять метров добавит таяние ледников на западе Антарктиды, которое случится при потеплении на 5-8°C. Эти процессы будут длительными и займут 300 лет после достижения критической температуры. Зато всего 100 лет уйдет на падение солености воды в Северной Атлантике (из-за таяния льда Гренландии, усиления осадков и увеличения стока северных рек), а следствием станет «отключение» Гольфстрима. Дело в том, что движение этого потока теплой воды вдоль Скандинавии к Белому морю обеспечивается определенным соотношением плотности теплой воды течения и холодной воды северной части океана. Если вода океана станет менее соленой, она будет менее плотной, не сможет удержать теплое течение на поверхности, и оно уйдет вглубь, где и остынет. А без Гольфстрима всю Северную Европу ждет сибирский мороз. Критическое значение увеличения потока пресной воды для этой неприятности должно составить 0,1 — 0,5 Свердрупа (напомним, что эта несистемная величина обозначает поток воды в 0,001 км³/с, а мощность Гольфстрима сейчас составляет 150 Свердрупов).

Как видим, глобальное потепление несет в себе большие угрозы, и правильное определение его причин чрезвычайно важно для выбора верных способов предотвращения этих бедствий. Очевидно, что большинством голосов (а именно на это обстоятельство любят ссылаться сторонники антропогенной гипотезы. Вот, например характерная фраза из выступления Джефри Боултона из Эдинбургского университета: «Все ученые мира, кто серьезно и активно изучают изменение климата, не сомневаются, что в потеплении преобладает антропогенный вклад», см. «Химию и жизнь», 2006, № 12) это не решается. На смену догадкам должны прийти научные данные, достоверно показывающие источники излишнего углекислого газа и излишнего тепла на планете.
Впрочем, потеплением неприятности отнюдь не исчерпываются.

Закисление океана

По поводу изменения климата Земли вопросов все еще больше, чем ответов, и дискуссия превращается из научной в политическую. С закислением океана, казалось бы, должно быть проще — это чистая химия. Растворимость углекислого газа в воде, согласно закону Генри, пропорциональна парциальному давлению газа. А коэффициент пропорциональности зависит от температуры. Для углекислого газа растворимость с ростом температуры падает существенно: в северных водах с температурой около нуля градусов она составляет (при нынешнем содержании углекислого газа в атмосфере) 335 мг на 100 граммов воды, а в тропических, где температура на поверхности около 30°C, — 125 мг. Увеличение давления усиливает растворимость углекислого газа. Это значит, что глубинные воды океана обогащены этим газом по сравнению с поверхностными, поскольку они и холоднее, и находятся под давлением водяного столба.

При растворении часть углекислого газа реагирует с водой и дает карбонат-ион или гидрокарбонат-ион, а так же протоны. Исход реакции зависит от кислотности воды. При щелочной реакции из молекулы углекислого газа получается два протона и карбонат-ион, который, встретившись с ионом кальция, может образовать нерастворимый карбонат и выпасть в осадок. Для этого рН должен быть больше 8,4. Если же рН меньше, от 4,2 до 8,4, то образуются гидрокарбонат-ион и карбонат-ион. При меньшем рН существуют только гидрокарбонат-ионы. Равновесие при этом определяется реакциями

СO₂+СаСO₃+Н₂O ↔ Са₂⁺+2НСO₃^-

Поскольку концентрации воды, карбоната кальция и иона кальция можно считать постоянными, равновесие определяется отношением активностей растворенного углекислого газа и гидрокарбонат-иона. Поэтому при недостатке гидрокарбонат-иона в него под действием протона превращается карбонат-ион, источником которого служат твердые карбонаты на дне водоема. Избыток гидро-карбонатов, наоборот, приводит к выпадению карбонатов. Так случается в районах, где глубинные воды выходят на поверхность: при высоком давлении в них растворено много углекислого газа и, стало быть, много гидрокарбонатов. В момент выхода давление падает, углекислый газ улетает и получается избыток гидрокарбонатов, которые превращаются в карбонат-ион; он соединяется с кальцием и образует известковые отложения на дне источника и всевозможных попавших в него предметах, а также сталактиты и сталагмиты.

Пока что приповерхностная вода в океане имеет щелочную реакцию, и в среднем ее рН равен 8,1. Как указывает в своем докладе 2007 года Межправительственная комиссия экспертов по изменениям климата, в течение XXI века показатель кислотности поверхностных вод океана должен снизиться на 0,14—0,4 единицы рН, то есть до значений 7,96—7,7.

Рис.5 Пределы человеческой деятельности, предложенные Йоханом Рокстрёмом с коллегами (темная область в центре), и нынешнее состояние планеты относительно них

Вообще говоря, изрядный запас карбонатов на морском дне, которые отлагались там в течение миллионов лет, должен обеспечить океану высокую степень буферности — растворяясь, они будут связывать протоны в виде гидрокарбонатов. Поэтому кислотность, пока все карбонаты не растворились, меняться не должна. Увеличиваться же в поверхностных водах она может потому, что их состояние далеко от равновесия — перемешивание происходит сравнительно медленно. Но факт остается фактом: из расчета климатических моделей следует, что карбонаты по мере роста содержания углекислого газа в атмосфере будут растворяться. И никакое потепление, которое снижает растворимость углекислого газа в воде и стабилизирует карбонаты, процесс остановить не сможет.

Чем же это опасно для морской экосистемы? А тем, что именно из карбонатов состоят панцири и внешние скелеты многих морских существ. Самый распространенный в живой природе карбонат — арагонит. Из него построены кораллы и раковины моллюсков. Другой карбонат, кальцит, служит строительным материалом для одноклеточных, составляющих планктон. Третий, высокомагниевый кальцит, используют красные водоросли, живущие в кораллах, и морские ежи. Арагонит легче растворяется в кислой воде, чем кальцит, а магниевый кальцит в зависимости от содержания магния растворяется даже лучше, чем арагонит. Поэтому от закисления океана первыми начинают страдать морские ежи, кораллы и моллюски, а потом уж планктон.

Рис.6 Колония средиземноморского коралла Oculina patagonica в исходном состоянии (а), спустя полгода пребывания в закисленной воде с рН 7,4 (б) и через год после возвращение в воду с рН 8,2 (в) (из статьи MaozFine, Dan Tchernov, Science, 2007, т. 315, № 5820)

Насколько сильными будут изменения, заранее сказать трудно. Очевидно, что одни виды исчезнут, а другие займут их место. Существующие организмы могут и сохраниться, но совершенно изменить свой образ жизни. Например, ученые из Израиля показали, что в кислой воде (рН 7,4) колония средиземноморского коралла Oculina patagonica распадается на отдельные организмы — гидроидные полипы, подобные миниатюрным актиниям. Они по-прежнему прикреплены к каменистому основанию, но становятся крупнее и неплохо выживают в лабораторных условиях, то есть в отсутствие хищников. А когда кислотность воды снижается до рН 8,2, полипы снова собираются в колонии (рис. 6). Видимо, этот механизм не раз спасал кораллы от вымирания, ведь и прежде содержание углекислого газа в атмосфере поднималось и воды океана должны были закисляться. А вот многочисленным организмам, которые живут в коралловых рифах, при их растворении придется плохо, поскольку они потеряют и стол, и кров. С другой стороны, биологи из Монако и Франции («Biogeosciences Discussions», 2009, т, 6, с. 7103) показали на медленнорастущих кораллах Cladocora caespitosa, собранных в Лигурийском море, что содержание углекислого газа в атмосфере на уровне 700 ррм (то есть почти в два раза больше, чем сейчас) никак не сказывается на их росте и образовании панцирей, повышение же температуры на три градуса действует убийственно. А вот быстрорастущим тропическим кораллам высокое содержание углекислого газа может быть вредно.
Опыты с моллюсками, которые путешествуют на днищах кораблей и поэтому постоянно попадают в закисленные поверхностные воды, показали, что их ракушки становятся тоньше, то есть хищникам проще с ними справиться. Французские исследователи из Лаборатории океанографии в Виллафранке (агентство «AlphaGalileo», 15 сентября 2009 года) пришли к аналогичному выводу, изучив поведение северной морской улитки Limacina helicina при ожидаемом в 2100 году рН 7,7 — у нее скорость образования и без того тонкого до прозрачности панциря уменьшилась на треть. Правда, другие исследования показывают, что не все так уж плохо. Например, Ким Дэвис, студент Дальхаузского университета (США), заметил, что моллюски, обитающие около гидротермальных вент, в районе которых из-под морского дна вырываются потоки углекислого газа, защитили свои ракушки от растворения, покрыв их толстым слоем органического вещества (агентство «NewsWise», 30 апреля 2009 года). Эти моллюски живут десятилетиями, и никакие хищники их не пожирают. Международная группа ученых, возглавляемая Институтом полярных и морских исследований им. Альфреда Вагенера (ФРГ), отметила, что закисленные воды не нравятся коколитофоридам - одноклеточным водорослям с кальцитовым скелетом (агентство «AlphaGalileo», 19 сентября 2006 года). Однако палеонтологические данные свидетельствуют, что в былые времена эти водоросли вполне приспосабливались к закислению. Даже кораллы в прошлом умели менять состав своих скелетов, чтобы воспротивиться растворению (этот способ мог помочь и тем видам, которые не смогли бы продолжать существование в виде «актиний»). Отсюда следует вывод: многие морские организмы смогут приспособиться к грядущим изменениям химического состава воды океана и занять освободившиеся места в экологических нишах. Вопрос лишь в том, хватит ли им на это времени.

Существует абсолютный предел закисления океана, при достижении которого катастрофа неизбежна: имеющихся в воде карбонат-ионов станет не хватать для того, чтобы связать все протоны, и карбонаты во всей толще океана сделаются неустойчивыми. Этот предел выражается степенью пересыщения — отношением произведения активностей имеющихся в воде ионов кальция и карбонат-иона к такому же произведению для насыщенного раствора карбоната, то есть когда существует равновесие между твердым веществом и его раствором. Если степень пересыщения меньше единицы, значит, твердых карбонатов в воде быть не должно. Двести лет назад степень пересыщения поверхностных вод океана по отношению к арагониту составляла 3,45. Сейчас она упала до 2,9, а при удвоении содержания углекислого газа в атмосфере снизится до 2,24. В глубине океана содержание углекислого газа растет и увеличивается растворимость карбонатов. Поэтому существует критическая глубина, на которой карбонаты становятся неустойчивыми: раковины погибших в верхних водах организмов по ее достижении начинают растворяться. Для арагонита эта глубина в Тихом океане проходит на уровне 500 м, а в Атлантическом — 2,5 км. Согласно расчетам, к 2100 году во многих районах Мирового океана глубина насыщения арагонита уменьшится до нуля.

Исходя из этих соображений, авторы идеи девяти пределов предлагают считать, что безопасная степень пересыщения поверхностных вод океана по отношению к арагониту составляет 2,76. Таким образом, до критического уровня, за которым, по их мнению, начнется перестройка морских экосистем, нам осталось не так уж и много. Видимо, этот предел будет перейден после 2030 года.

Озоновая дыра

Стратосферный озон — важнейший для биосферы газ. Он создает щит, который закрывает Землю от стерилизующего ультрафиолета. История с полярными озоновыми дырами свидетельствует о том, что, преодолев некую границу, планетарная система может перейти в новый режим работы, ведь озоновая дыра возникла после того, как концентрация этого газа упала ниже некоего критического уровня. Этому способствовали два фактора — хлорфторуглероды, как сделанные человеком, так и природного происхождения, а также стратосферные облака, возникающие из-за охлаждения стратосферы и увеличения содержания в ней водяного пара. (Пара стало больше из-за роста температуры и усиленного испарения воды, а охлаждается стратосфера из-за развития парникового эффекта — все больше идущего от поверхности Земли тепла задерживается атмосферой и не нагревает стратосферу.)

Считается, что с первым фактором общими усилиями удалось справиться: после принятия в 1987 году Монреальского протокола концентрация хлорфторуглеродов в стратосфере над полюсами уменьшилась на 10%. Как это сказалось на озоновых дырах, выяснили ученые из Европейского космического агентства. Они доложили результат многолетних спутниковых измерений концентрации этого газа на конференции в Барселоне в сентябре 2009 года (агентство «AlphaGalileo», 21 сентября 2009). С 1974 по 1997 год содержание озона в стратосфере над средними широтами в обоих полушариях снижалось со скоростью 7% в десятилетие. А в последние 14 лет оно растет со скоростью около 1% в десятилетие. Иными словами, установилось шаткое равновесие: распад озонового слоя прекратился, а его восстановление фактически еще не началось. Но еще при подписании Монреальского протокола сторонники человеческой ответственности за планетарные катастрофы говорили, что восстановление займет много десятилетий.
Со стратосферными облаками сложнее: пока продолжается потепление и растет концентрация CO₂, непонятно, как с ними бороться. Более того, существует мрачный прогноз: по мере развития парникового эффекта облачность в стратосфере будет усиливаться, из-за чего озоновый слой может начать разрушаться над всей планетой. Пока что мы далеки от опасной границы, после пересечения которой ультрафиолет стерилизует Землю. Граница же эта обозначена, как считает Рокстрём с коллегами, температурой стратосферы на полюсах, которая должна быть не ниже -78°С. Если стратосфера стабильно остынет сильнее, то всего за год уже без всяких хлорфторуглеродов озон исчезнет над полюсами, а возможно, и над менее высокими широтами. Сейчас температура полярной стратосферы редко опускается ниже -60°C. Однако порой снижение бывает очень сильным — и не обязательно в районе полюса, и тогда сразу же образуется озоновая дыра, которая после нагрева стратосферы затягивается. Например, это неприятное явление наблюдали в начале января 2006 года над территорией Голландии и Бельгии, когда температура стратосферы там упала до -86,8°C. В прошлый раз аналогичное падение температуры над этими странами метеорологи зафиксировали двадцатью годами раньше. Очевидно, о том, насколько близок переход планеты к состоянию глобальной озоновой дыры, можно судить по частоте подобных событий и их продолжительности.

Циклы азота и фосфора

Способность человека фиксировать атмосферный азот с помощью установок, созданных Карлом Бошем, и производить минеральные удобрения подняли сельское хозяйство на недосягаемую ранее высоту. Сейчас таким способом из атмосферы ежегодно изымается 80 Мт азота. Правильная агротехника, а именно посадка «зеленых удобрений» — азотфиксирующих бобовых растений — добавляет еще 40 Мт. Наконец, 30 Мт азота в виде оксидов получается при сгорании органического топлива — оксиды образуются из-за окисления азота воздуха при высокой температуре. В виде же фосфорных удобрений и добавок к моющим средствам человечество выделяет в окружающую среду 20 Мт фосфора. Если бы не было человека, то не было бы и такой прибавки к циклам этих веществ, а она, в отличие от антропогенных парниковых газов, вполне сопоставима с природными значениями. Дело не в том, что из атмосферы будет изъято слишком много азота — его запасы несопоставимо больше, все-таки это основной газ планеты, — а в том, что слишком много этого важнейшего для жизни элемента перейдет в легкоусваиваемую живыми организмами форму.

Расчет здесь такой. Есть два основных природных механизма связывания азота — азотфиксирующие бактерии и удары молний, однако цикл азота довольно сложен, и оценить вклад человека непросто. Например, тот же Сванте Apрениус считал, что бактерии связывают 400 Мт азота в год — тогда антропогенный вклад составляет чуть больше трети только от этого количества. По современным данным, вклад бактерий не столь велик — всего от 90 до 140 Мт. Молнии, подсчитать эффективность которых гораздо проще, дают еще 10 Мт. Получается 100—150 Мт природно связанного азота против 150 Мт связанного человеком. Рокстрём с коллегами считают, что это слишком много и доля человека не должна превышать четверти от средней оценки естественного потока, то есть 35 Мт. Очевидно, такое предложение ставит крест на синтетических удобрениях и высокопроизводительном сельском хозяйстве, а заодно и на сжигании органического топлива, хоть ископаемого, хоть возобновляемого, — оксиды азота будут образовываться в любом случае.

С фосфором провести расчет не проще. Он попадает в окружающую среду в результате выветривания, как считается, в количестве около одного миллиона тонн в год. А из тех 20 Мт, что используют на полях или в виде минеральных удобрений, 9 Мт смывается в реки и океан, остальное усваивают высшие растения. Смытый же фосфор идет на питание одноклеточных водорослей. Правда, процесс его усвоения — небыстрый: значительная часть фосфора сначала оседает на дне и затем постепенно вовлекается в круговорот живого вещества.

Чем грозит увеличение концентрации фосфора и азота в воде? Они служат питанием для развития водорослей, в том числе одноклеточных. Водоросли, расплодившись из-за обилия питательных веществ, во-первых, сделают воду мутной, во-вторых, при гниении используют значительную часть растворенного в воде кислорода, что не пойдет на пользу его обитателям и тем, кто этих обитателей использует в пищу. Примеры таких изменений имеются — это и цветение озер, в которые попадают содержащие удобрения стоки с полей, и возникновение бескислородных зон в Балтийском море. К тому же рост концентрации углекислого газа усиливает фотосинтез и, стало быть, размножение водорослей. Вызванные избытком азота при относительном недостатке фосфора изменения видового состава планктона плохо сказываются на всей пищевой цепочке.
Размножившись, водоросли выделяют столько ядовитых веществ, что массово гибнут рыбы и другие морские обитатели. А Джеймс Кэстл и Джон Роджерс из Клемсоновсого университета (агентство «NewsWise», 19 октября 2009 года) обнаружили интересное свидетельство в пользу того, что водоросли способны вызывать и глобальные катастрофы. Ученые задались целью понять, почему удар астероида мог сопровождаться массовым вымиранием не только наземных, но и морских организмов. Анализ геологических слоев показал, что каждый раз в эти моменты формировались толстые маты из одноклеточных водорослей. Кэстл и Роджерс предположили, что питательными веществами их обеспечивало огромное количество пыли, попадающее в океан при взрыве и пожарах: водоросли активно размножались, отравляя все вокруг своими токсинами.

В общем, по мнению Рокстрёма и коллег, человечество давно перевалило за безопасный рубеж по азоту и фосфору и движется к глобальной гипоксии океана. Полностью бескислородное состояние, при котором в океане восстановится древнейшее анаэробное царство, из-за недостатка фосфора, видимо, вряд ли наступит. Вместо этого появятся обширные зоны гипоксии в прибрежных районах, где концентрируются стоки с полей. Пример такой зоны можно найти в Мексиканском заливе.

Именно азот оказывается главным злом: как показывает расчет Рокстрёма с коллегами, при сохранении нынешнего потока фосфора неизменным, даже через тысячу лет доля вызванных им зон гипоксии в Мировом океане увеличится с нынешних 14% до 22%. Но неизменным поток не будет, потому что на Земле всего 20 Гт фосфора. Вряд ли весь этот фосфор удастся извлечь, а иначе на тысячу лет его не хватит.

К сожалению, сократить поток антропогенного азота и фосфора весьма затруднительно, поскольку именно минеральные удобрения и органическое топливо позволили прокормить и обогреть человечество в XX веке. Путей здесь два. Во-первых, переход на получение энергии без сжигания топлива и применение таких удобрений, которые полностью потребляются растениями. Во-вторых, использование иных методов выращивания еды. А это связано с изменением системы землепользования.

Использование земли

Человек расчищает землю, чтобы выращивать себе пищу, и площадь освобожденных от леса земель в последние полвека стабильно растет со скоростью 0,8% в год. Сейчас 12% площади суши, свободной от ледников, занято сельскохозяйственными культурами. Очевидно, что при этом изменяются круговороты углекислого газа, воды, азота и фосфора, а также снижается биоразнообразие, то есть возрастает риск приближения ко всем пределам, связанным с этими параметрами. Рокстрём с коллегами считают, что увеличение доли используемой человеком земли еще на 400 Мга, в результате чего общая используемая площадь составит 15% площади свободной от ледников суши, может привести к глобальным негативным последствиям.

Если считать, что площадь обрабатываемой земли на одного человека представляет собой константу, которая при нынешнем населении планеты в 6 млрд. составляет примерно четверть гектара, получается, что предела по используемой площади мы достигнем при численности населения в 7,5 млрд., которые ожидает нас отнюдь не в далеком будущем. Поэтому Рокстрём с коллегами советуют не распахивать новые земли, а лучше использовать имеющиеся. Например, сосредоточить сельское хозяйство, оснащенное по последнему слову науки и техники, в южных районах, где растения дают больше всего продукции, а на севере, где оно убыточно, — забросить поля, и позволить природным экосистемам восстанавливаться самостоятельно либо с помощью человека. Тем более что именно у нас на севере растут так называемые бореальные леса, в которых происходит захоронение углекислого газа, изъятого из атмосферы в виде органического вещества: из-за холода растительные остатки не успевают перегнивать, в отличие от тропиков, где все растет быстро, но столь же быстро и разлагается на составляющие. Именно бореальным лесам угрожает серьезная опасность в связи с глобальным потеплением: по расчетам британских ученых, подготовивших упомянутую в первой части статью в PNAS, при потеплении на 3-5°С они исчезают за полвека.

Проблему уменьшения площади возделанных земель можно решать и за счет регулирования численности населения, и за счет изменения стандартов питания. Видимо, наиболее радикальный вариант развития этой идеи должен привести человечество к продуктам из белков дрожжей и прочим ужасам, описанным в фантастических антиутопиях. Впрочем, Рокстрём с коллегами считают, что без радикальных действий удастся обойтись: они возлагают особые надежды на создание агроприродных ландшафтов, в которых природные и сельскохозяйственные, а также городские экосистемы будут гармонично сочетаться и уживаться друг с другом, увеличивая таким безопасным способом и площадь возделываемых земель, и продуктивность сельского хозяйства, а также на ограничения роста городов и использования земель для производства биотоплива.

Биоразнообразие

По мнению Рокстрёма и его коллег, мы живем в период шестого массового вымирания в истории планеты. Ежегодно исчезает примерно 100—1000 видов из миллиона, а естественная скорость, по данным палеонтологов, — 0,1-1 вид в год из миллиона. Считается, что в недалеком будущем скорость исчезновения видов, вызванного непосредственно деятельностью человека, возрастет еще десятикратно. Сейчас в среднем четверти видов угрожает вымирание: от 12% у птиц до 68% у цикад. Очень быстро вымирают лягушки и прочие амфибии. До недавнего времени основное вымирание шло на тропических островах, однако в последние двадцать лет половина исчезающих видов приходится на континенты. Причины этого — разрушение природных экосистем и замена их искусственными — городскими или сельскохозяйственными, а также проникновение в экосистемы посторонних для них видов и изменение климата. Новые системы неустойчивы и сильно зависят от действий человека.

Падение биоразнообразия опасно тем, что в каждой экосистеме существует множество связей между видами. Изъятие любого из них разрывает связи, и если их оборвется слишком много, то экосистема распадется. Более того, при изменении условий проигрыш одних видов компенсируется выигрышем других, и это делает экосистему устойчивой. Но при ее оскудении такой компенсации может не получиться, и прежнее сообщество живых существ исчезнет, оставляя экологическую нишу на долгие годы незанятой. Обеднение экосистем видами делает ее более уязвимой и к другим факторам, таким, как потепление климата, закисление океана или избыточное поступление азота и фосфора, — все это ускоряет вымирание.

К чему приводит значительное снижение биоразнообразия, известно из геологической истории: одни группы животных сменяются другими, совсем непохожими на предыдущие, а доминировавшие ранее виды вымирают или переходят на маргинальное положение. Нелишне напомнить, что сейчас у нас расцвет млекопитающих, пришедших на смену динозаврам, а доминирует вид Homo sapiens.

Определить граничную скорость исчезновения видов, при которой биосфера скачком переходит в новое состояние, нелегко. Рокстрём с коллегами считают, что приемлем уровень 10—100 видов из миллиона в год.

Вода

Пресная вода нужна человеку для сельскохозяйственных и бытовых нужд. В природе ее функция иная: формировать облака и пополнять реки, озера и моря за счет осадков. Эти функции находятся в сильном противоречии. Так, около 25% рек из-за использования человеком уже не достигают своего устья, а высыхают ранее. К чему это приводит, показывает крупнейшая экологическая катастрофа в Средней Азии — распад Аральского моря на две части. Естественно, все это сопровождается гибелью водных экосистем и снижением биоразнообразия.

Однако человек влияет не только на сток рек. Существует еще влага, содержащаяся в почве. Ее испарение в значительной степени определяет формирование дождевых облаков и выпадение осадков, которые замыкают круговорот воды. Повышенное испарение из-за замены лесов на поля приводит к высыханию земли, изменению режима выпадения осадков и может вызвать опустынивание.

Чтобы сохранить устойчивость, нужно ограничивать как нарушение испарения воды с суши, так и употребление воды рек и озер на уровне, обеспечивающем существование водных экосистем. Поток пресной воды в реках сейчас оценивают в 12-15 тысяч км³ за год. Согласно оценкам, которые приводят Рокстрём и коллеги, при его уменьшении на 5-6 тысяч км³ в год возникнет серьезный недостаток пресной воды. По другим данным, уже снижение на 4 тысячи км³ в год совершенно изменит режим испарения с поверхности суши, количество осадков и, как следствие, перестроит наземные и водные экосистемы. Сейчас использование речных вод для полива — 2,6 тысячи км³ в год. Это меньше обозначенного порога в 4 тысячи км³ в год. Однако к 2030 году предполагается увеличение на 25—50%. Таким образом, предел может быть достигнут в обозримом будущем. К тому же из-за глобального потепления изменятся количество осадков и их распределение по поверхности планеты, а это также скажется на круговороте пресной воды.

Аэрозоли

Под аэрозолями понимают прежде всего оксиды серы и азота, которые образуются при сгорании ископаемого топлива.

Оксиды обоих этих элементов при растворении приводят к закислению вод за счет образования серной и азотной кислот, но проблема не только в этом. Собираясь в верхних слоях атмосферы в виде капелек серной и азотной кислоты, они экранируют поверхность планеты от солнечного света и таким образом охлаждают ее. С одной стороны, это неплохо, поскольку снижает парниковый эффект. С другой стороны, локальное охлаждение поверхности Земли из-за аэрозолей может привести к серьезным последствиям. Прежде всего скопление аэрозолей у южных склонов Гималаев изменит режим осадков в Индии, а это, в свою очередь, повлияет на Индийский муссон: вместо регулярного он станет хаотическим. В конце концов это приведет к чередованию чрезмерных дождей с чрезмерной засухой на Индостане. За это будут ответственны не только упомянутые оксиды, но и твердые частицы, также образующиеся при сгорании топлива. «Переключение» Индийского муссона на новый режим может произойти внезапно, буквально за год, если альбедо, то есть степень отражения солнечных лучей, в районе Гималаев повысится до 0,5 (ныне среднее альбедо Земли 0,3). Так, во всяком случае, считают авторы статьи, опубликованной в PNAS. Рокстрём с коллегами сейчас не готовы обсуждать положение того уровня аэрозолей, при преодолении которого планета перейдет в какой-то новый режим, равно как и аналогичный предел для загрязнения окружающей среды множеством продуктов химической и фармацевтической промышленности. Но проблему обозначают.

Картина получается довольно мрачной, даже если не все эти прогнозы сбудутся. Однако сама по себе идея — ограничить человеческую деятельность во имя сохранения голоценовой стабильности — выглядит несколько утопичной, поскольку еще никому и никогда не удалось остановить прогресс человечества на длительное время. Видимо, надо искать другие пути и другие механизмы, которые позволят не консервировать стабильное прошлое, а жить в изменяющемся будущем.

С.М.Комаров. Мировая утопия. // Журнал «Химия и жизнь», №№11,12-2009.