Как работает глобальное потепление⁠⁠

Задачка о двух трубах и бассейне

Известный палеонтолог Кирилл Еськов в своих лекциях часто вспоминает школьную задачку о бассейне и двух трубах. Через одну вода поступает, через другую — уходит. В нашем случае роль бассейна играет Земля, а роль воды — тепло. Земля непрерывно получает тепло в виде солнечного излучения и так же непрерывно его теряет. И будет ли она нагреваться или остывать, целиком зависит от того, какой из процессов происходит быстрее.

Со входной трубой всё очевидно: главный источник тепловой энергии для Земли — солнечный свет. Часть его рассеивается в атмосфере (например, облаками), часть отражается от поверхности, а оставшиеся примерно 70% поглощаются и способствуют нагреву поверхности.

Но куда это тепло потом уходит? Как вообще физики представляют себе этот процесс? Когда какое-то тело остывает, оно теряет тепловую энергию. Однако энергия не может просто исчезнуть. Она либо передаётся другим телам, либо рассеивается в виде излучения. Третьего не дано.

Например, когда чашка чая остывает в земных условиях, избыток тепла передаётся тем телам, с которыми она соприкасается. В первую очередь это воздух, движение которого ускоряет процесс обмена теплом. Но в космосе воздуха нет, и избыток тепла передать нечему. Остаётся второй путь — излучение.

Замечание. Можно возразить, что Земля окружена атмосферой. Но атмосфера — тоже часть планеты. Это как переложить деньги из одного кармана в другой. Теплота может переходить от Земли к воздуху и обратно, но суммарное количество тепловой энергии планеты при этом не изменится ни на йоту.

Поэтому излучение — единственная выходная труба. Та самая отдушина, которая не даёт Земле перегреться. Только от её пропускной способности зависит, будет ли Земля нагреваться или остывать.

Два окошка

Любое нагретое тело излучает. Солнце и другие звезды светят только потому, что их поверхность раскалена до тысяч градусов. Самые горячие звёзды имеют голубой оттенок, самые холодные — красный. Земля холоднее любых звёзд, поэтому она светит в диапазоне, невидимом для человеческого глаза.

Это может показаться странным, но атмосфера Земли не пропускает большинство видов излучения. Если бы наш диапазон восприятия света был другим, небо казалось бы нам чёрным вне зависимости от времени суток. Есть лишь несколько диапазонов, для которых атмосфера относительно прозрачна. Их называют «окнами прозрачности».

Одно из таких окон соответствует видимому излучению, испускаемому Солнцем (на рисунке выше — слева). Излучение без труда проходит через атмосферу, и это окно служит той самой «трубой», по которой подаётся энергия. Второе окно (на рисунке — справа) соответствует излучению, которое планета испускает.

Второе окно гораздо более узкое. Оно пропускает лишь малую часть спектра излучения планеты. То, что справа, поглощается углекислым газом, слева — в основном водяными парами (H2O), а посередине — озоном.

Сужая то окно, через которое тепло покидает планету, эти газы (их называют парниковыми) существенно замедляют остывание. Без них средняя температура по планете была бы на 18 градусов ниже нуля. Но парниковые газы «выигрывают» дополнительные 33 градуса, делая условия на Земле более комфортными для обитания.

При чём здесь человек?

Как говорилось выше, углекислый газ, или CO2 — один из основных парниковых газов. Каждая третья молекула CO2 в атмосфере появилась из-за сжигания человеком промышленного топлива.

Посмотрим на график изменения содержания CO2 за последние полмиллиона лет:

Видно, что с начала промышленной революции концентрация CO2 стремительно растёт, и ничего подобного не было в обозримом прошлом. Вернёмся ещё раз к метафоре двух кранов.

Способствуя росту количества парниковых газов в атмосфере, мы как бы закрываем единственный кран, по которому вода может уходить из бассейна, тогда как скорость работы верхнего крана почти не меняется. В результате баланс нарушается, и уровень воды в бассейне начинает потихоньку расти.

Где копится тепло?

В чём же проявляется нагрев Земли? Где копится тот избыток тепла, из-за которого бьют тревогу 97% климатологов? Атмосфера и суша плохо годятся на эту роль. Воздух слишком разрежен и не способен накопить большое количество тепловой энергии. Температура суши существенно меняется только у самой её поверхности. Скорость передачи тепла в породе чрезвычайно низка, и уже на глубине одного-двух метров колебания температуры перестают быть заметными.

Иное дело вода. Она прозрачна, и солнечный свет проходит вглубь на десятки метров, равномерно прогревая её по всему объёму, а не только у поверхности. К тому же вода находится в постоянном движении, ускоряя обмен энергией между глубинами.

Как видно из графика (источник), в мировом океане накапливается на порядок больше энергии, чем на суше, атмосфере и ледяных шапках вместе взятых! Именно океан является главным резервуаром тепла, способным аккумулировать колоссальные объёмы энергии. Из-за этого его средняя температура увеличивается, и он расширяется. Это одна из главных причин повышения уровня моря по всей планете.

Тем самым океан выступает в роли гигантского градусника, столбик жидкости в котором даёт представление о температуре всей планеты. И это одно из самых наглядных подтверждений глобального изменения климата.

Для дальнейнего чтения

Общие сведения:

Глобальное потепление — это миф или правда? Стыдные вопросы об изменении климата (https://meduza.io/feature/2019/09/28/globalnoe-poteplenie-et...)

Прозрачность атмосферы:

Почему атмосферные окна [прорачности] так важны для наук о Земле (Why the Atmospheric Window Matters in Earth Science) (https://gisgeography.com/atmospheric-window/)

Причины подъёма уровня моря:

Печальное ускорение: уровень Мирового океана растёт ещё быстрее, чем считалось (https://nauka.vesti.ru/article/1047641)

Объяснение подъёма уровня моря (англ. Sea level rise, explained) (https://www.nationalgeographic.com/environment/global-warmin...)

В 2018 году океан был самым тёплым [за всё время наблюдения]. Последствия будут долгоиграющими (2018 was the ocean's hottest year. We'll feel it a long time) (https://www.nationalgeographic.com/environment/2019/01/ocean...)

Повышение уровня моря по данным спутниковых наблюдений (NASA)(https://climate.nasa.gov/vital-signs/sea-level/)

Растёт ли уровень моря (NOAA) (https://oceanservice.noaa.gov/facts/sealevel.html)