Решение 38: Тепловая волна

Если не можешь выдержать жару, уходи с кухни.

Гарри С. Трумэн

Необходимым ингредиентом для возникновения технологической цивилизации является — предположительно — планета, обладающая умеренным климатом в течение длительных периодов. Одноклеточные организмы устойчивы, но трудно представить, как сложная многоклеточная жизнь могла бы процветать на ледяной планете, где вода заперта в твердой форме. С другой стороны, сложная жизнь была бы обожжена на горячей планете, где вода находится в газообразной форме; действительно, температурам не нужно достигать даже точки кипения, чтобы сложная жизнь пострадала. Требуется тот самый объект «Златовласки» — «в самый раз», планета, на которой вода может свободно течь и творить свое волшебство. Земля явно является планетой Златовласки в этом отношении, но не сразу очевидно, почему Земля обладает такой поверхностной температурой. Очевидно, Земля получает энергию от Солнца, и это согревает нашу планету — но тогда почему Луна не имеет такой же температуры, как Земля? В конце концов, и Земля, и Луна находятся на одинаковом расстоянии от Солнца. (Температура на поверхности Луны значительно варьируется в зависимости от того, ночь сейчас или день. Когда Солнце находится над головой, температура поверхности Луны может превышать 100°C; однако, как только Солнце садится, температура может упасть ниже –150°C. Это лишь подчеркивает разницу между Землей и ее спутником.)

Мы должны благодарить атмосферу за умеренный характер Земли. Земля получает энергию от Солнца в различных диапазонах электромагнитных волн — ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном. Почти вся эта энергия проходит прямо через атмосферу, и около половины ее поглощается поверхностью Земли, которая впоследствии нагревается. Любая теплая поверхность будет излучать просто потому, что она теплая, и пиковая длина волны излучения зависит от температуры поверхности. В случае Земли большая часть теплового излучения, которое она испускает, находится в дальнем инфракрасном диапазоне. Вот что замечательно: химический состав атмосферы Земли таков, что она почти прозрачна для входящего коротковолнового ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного излучения, но почти непрозрачна для исходящего длинноволнового дальнего инфракрасного излучения. Излучение, испускаемое поверхностью Земли, поглощается атмосферой, которая затем переизлучает его, а излучение, испускаемое вниз, поглощается поверхностью Земли. Таким образом, наша атмосфера согревает нас. Мало того, атмосфера оказывает смягчающее воздействие; ветры переносят тепло от экватора к полюсам и с дневной стороны планеты на ночную. Без атмосферы на Земле наверняка не было бы жизни.

Это атмосферное улавливание солнечного излучения известно как парниковый эффект, и впервые его количественно оценил Сванте Аррениус (тот самый, известный по панспермии) еще в 1896 году. Основная идея восходит к семидесяти годам ранее. Так что это не новое предположение, что так называемые атмосферные парниковые газы — в первую очередь водяной пар, углекислый газ, метан и озон — играют решающую роль в определении климата Земли. И учитывая фундаментальную важность климата для жизни, можно подумать, что было бы крайне неразумно для цивилизации вмешиваться в атмосферные парниковые газы. Но именно это и делает человечество.

Примерно с 1850 года мировое потребление энергии резко возросло. Те из нас, кто живет в развитых странах, имеют доступ к множеству технологий, которые делают нашу жизнь более комфортной, чем жизнь наших викторианских предков: у нас есть доступ к автомобилям, авиаперелетам, Интернету, мощному освещению, центральному отоплению, мобильным телефонам, экзотическим продуктам питания, чистой воде из-под крана… но все эти само собой разумеющиеся удобства современной жизни требуют энергии. Очень, очень много энергии. Со времен промышленной революции ненасытная потребность человечества в энергии удовлетворялась в основном за счет добычи ископаемого топлива — угля, нефти, природного газа — и его сжигания. Если бы человечество не открыло огромные запасы этих энергоемких материалов, наша нынешняя цивилизация, вероятно, была бы совершенно иной: научные и технологические инновации, несомненно, продолжались бы, но прогресс, безусловно, был бы гораздо медленнее, и наш выбор был бы ограничен. Наш нынешний уровень цивилизации, позволяющий нам хотя бы размышлять об исследовании космоса, требует много дешевой энергии — и в течение десятилетий, вероятно, дешевая энергия будет обеспечиваться за счет сжигания ископаемого топлива.

В этой ситуации есть по крайней мере два аспекта, имеющих отношение к парадоксу Ферми (если мы сделаем неизбежное антропоцентрическое предположение, что всем внеземным цивилизациям придется пройти через фазу удовлетворения энергетических потребностей путем сжигания ископаемого топлива). Во-первых, ископаемое топливо представляет собой конечный ресурс. Неумолимый рост спроса на энергию в конечном итоге исчерпает запасы топлива. Если бы наш доступ к ископаемому топливу прекратился внезапно, прямо сейчас, последствия были бы немыслимы. Наша цивилизация рухнула бы. Одно из предложенных разрешений парадокса Ферми, таким образом, заключается в том, что неизбежное истощение ископаемого топлива означает, что цивилизации никогда не выходят в глубокий космос. Они коллапсируют, прежде чем смогут колонизировать мир, содержащий больше энергоресурсов. Лично я в этом случае оптимист. У нас есть еще несколько десятилетий до наступления кризиса, и я уверен, что до этого политики осознают опасность: они направят ресурсы на решение проблем производства энергии, и какое-то другое топливо позволит нам поддерживать наш роскошный уровень жизни.

Во-вторых, и что более коварно, когда мы сжигаем ископаемое топливо, мы выделяем парниковые газы. Крупномасштабное сжигание ископаемого топлива может изменить количество парниковых газов в атмосфере, а это, в свою очередь, может изменить климат.

Ископаемое топливо образовалось в результате разложения погребенных мертвых организмов. Нефть и природный газ происходят от организмов, живших в реках или океанах и погребенных под слоями ила; за миллионы лет этот органический материал «готовился» под давлением, создавая месторождения, которые мы разрабатываем сегодня. Уголь образовался аналогичным образом, за исключением того, что исходным материалом были деревья, папоротники и растения. Поскольку ископаемое топливо происходит из органического материала, оно содержит углерод — антрацитовый уголь, например, почти чистый углерод — и поэтому при сжигании этого топлива выделяется этот элемент. Выделяющийся углерод легко соединяется с кислородом, образуя парниковый газ углекислый газ. С начала промышленной революции, полтора века назад, человечество выбрасывает углерод, на накопление которого ушли десятки миллионов лет. Неудивительно, что уровни атмосферного углекислого газа неуклонно растут.

Рис. 4.22 Среднемесячная концентрация углекислого газа, измеренная в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях. Данные получены в рамках долгосрочной программы Института океанографии Скриппса. 9 мая 2013 года концентрация достигла 400 частей на миллион; сравнение углекислого газа, захваченного в пузырьках воздуха, взятых из антарктических ледяных кернов, показывает, что атмосферный углекислый газ сейчас находится на самом высоком уровне за последние 800 000 лет. (Источник: NOAA)

Лучшие данные об уровнях атмосферного углекислого газа получены из измерений, проведенных