Живой пример обратного — Венера. То, что могло случиться и с Землёй, окажись она чуть ближе к Солнцу: токсичная атмосфера, температура — 460 °C (при такой плавится цинк)... Новое исследование говорит о том, что если бы не облака, мы тоже находились бы в таком положении.
Если бы не облака и малое количество водяного пара над сухими областями Земли, планета была бы безводной и перегретой. (Здесь и ниже иллюстрации Detlev van Ravenswaay / NASA.)
Случившееся на Венере — следствие стремительного парникового эффекта. Подъём температуры до критического уровня увеличивает испарение воды с поверхности океанов. Водяной пар — мощный парниковый газ, который жадно поглощает тепловое излучение с нагретой солнцем поверхности. Из-за него мир становится ещё более жарким. Так возникает порочный круг...
Всего несколько тысяч лет — и любая жизнь на такой планете исчезнет. «Если вскипятить планету, всё умрёт», — любезно поясняет Колин Голдблатт из Университета Виктории (Канада).
Модели, созданные в 1990-х, говорили о том, что ничего подобного на Земле произойти не может, ибо она довольно далека от Солнца. Мол, на таком расстоянии солнечное тепло менее интенсивно, чем на Венере, да и расчёты энергетического баланса показали, что на Земле в случае парникового эффекта атмосфера будет больше излучать в космос, чем поглощать.
Но, как вы уже знаете, по мере развития моделей, воспроизводящих климатические условия на других планетах, стало понятно, что у такого явления, как средняя планетарная температура, много неясностей. Решая задачу термодинамически, можно было бы предположить, что температура в основном зависит от количества излучения, получаемого планетой от своей звезды. Но реальная жизнь оказалась много сложнее. Недавние попытки учесть все эти сложности — вроде наличия облаков, концентрации парниковых газов, альбедо, облачности — привели к слегка парадоксальному результату: наша собственная планета оказалась буквально на грани гибели всего живого.
Отдельные расчёты утверждают, что, будь расстояние между нами и Солнцем на 1% меньше, температура на планете резко подскочила бы, доведя жизнь до массового вымирания сложных видов, с последующей потерей водяного пара из атмосферы и в перспективе — полным обезвоживанием Земли. Некоторую абсурдность ситуации придаёт и то, что раньше, сотни миллионов и миллиардов лет назад, когда от молодого Солнца к нам поступало меньше энергии, постоянных ледников и тем более ледовых щитов у полюсов не было, а теперь, когда светило стало в прямом смысле пригревать, они почему-то появились. Как разобраться во всех этих сложностях?
Новая работа группы авторов во главе с Колином Голдблаттом попыталась разгадать секреты земного климата на основе относительно простой одномерной модели, исключающей множество сложных факторов, где мы, по нашему всё ещё скромному объёму познаний о климате, могли бы допустить ошибку. Одномерная модель, в соответствии с названием, подразумевает анализ распределения температур в атмосфере Земли только на основе «колонны» воздуха, насыщенного водяным паром, что тянется от поверхности до границ атмосферы. Альбедо и парниковый эффект в модели учитывались, а вот перемешивание, эффекты ветров, неравномерное освещение на полюсах и многие другие нюансы реальной атмосферы во внимание не брались: их рассматривали предыдущие, более сложные модели, а авторы намеревались лишь убедиться в верности их выводов.
Исследователи попробовали приложить модель к Земле, исключив из неё облака, но оставив атмосферу с её нынешним составом и богатую водяным паром. Получилось, что такая безоблачная атмосфера привела бы к поглощению Землёй на 30% больше солнечного излучения, чем полагали ранние работы, в которых не было свежих данных по поглощению излучения водяным паром. Это означает, что без облаков Земля была бы нагрета настолько, что потеря водяного пара атмосферой приняла бы стремительный характер. Итог прост: в геологически короткие сроки планета лишилась бы существенной части гидросферы.
Даже сейчас, когда мы компенсируем охлаждающий эффект облаков производством парниковых газов, беспокоиться не о чем. Учёные рассчитали, что мы сможем подтолкнуть Землю к парниковому эффекту только за счёт повышения концентрации СО2 в атмосфере примерно до 30 тыс. частей на миллион. Но мы не достигнем этой отметки, даже если сожжём все имеющиеся на Земле запасы ископаемого топлива вместе взятые.
Впрочем, остаётся некоторая неопределённость, поэтому трудно судить, как поведут себя облака, если мы вплотную подберёмся к стремительному парниковому эффекту. Современные трёхмерные модели климата не способны моделировать столь экстремальные условия.
Более надёжные модели, которые справятся с температурой до 120 °C, что далеко за пределами порогового значения парникового эффекта, разрабатывает Макс Попп из Института метеорологии Общества им. Макса Планка (ФРГ). Но и он отмечает, что отсутствие наблюдений столь жаркого климата делает задачу трудновыполнимой.
Но вернёмся к изысканиям группы г-на Голдблатта. Учёные попробовали проверить, что именно спасает нас от венерианского сценария, добавляя различные факторы и оценивая конечный тепловой баланс. Получилось, что рассеивание солнечного света азотом атмосферы может до некоторой степени охладить поверхность. Но итог по-прежнему выходил неутешительный: Земля всё равно стремительно теряла воду, причём ещё в пору сравнительно молодого Солнца. Факты, как мы видим, существенно разошлись с моделью. «Стремительный парниковый эффект определённо не случился на Земле в посткатархейскую эпоху, — признают авторы. — В противном случае она была бы уже стерилизована». Тонкое наблюдение, чего уж там. Но всё-таки: что позволило земной биосфере не перейти в фазу электрофильного развития в последние миллиарды лет?
Учёные выдвинули две гипотезы. Первая: модель их авторства не учитывала возможности разной степени перемешивания атмосферы с водяным паром. Где-то, над Сахарой или Антарктидой, ИК-непрозрачного водяного пара мало, и инфракрасное излучение от поверхности может покидать планету, не давая ей перегреваться. Если это так, то пустыни, как тропические, так и арктические, парадоксальным образом являются главным фактором, определяющим жизнепригодность Земли сегодня. Правда, всё равно непонятно: буквально недавно, ещё в кайнозое, ни устойчивых пустынь, ни ледовых щитов, над которыми также почти нет водяного пара, на нашем шарике просто не было, поэтому распределение влажности над планетой было более равномерным, однако стремительной потери воды из-за перегрева атмосферы не наблюдалось.
Второе предположение вновь отсылает ситуацию к облакам. Дело в том, что они (это чертовски затрудняет их корректный учёт в моделировании климата) в зависимости от своего состава могут как отражать солнечные лучи обратно в космос, так и препятствовать потере тепла поверхностью планеты. Точный баланс здесь просчитать очень сложно: как учесть конкретную ситуацию для каждого конкретного облачка над сотнями миллионов квадратных километров? Тем не менее, полагают авторы, судя по итогам своего моделирования, в конечном счёте облака — ключевой фактор, не дающий планете перегреться до полного испарения океанов.
Любопытно, что облака могут как перегревать планету (Венера, справа), так и, напротив, охлаждать её (Земля, слева). Точный расчёт их влияния на климат на современном уровне знаний затруднителен...
Увы, их помощь не может быть вечной. По расчётам, при более или менее равномерном распределении воды в атмосфере у нас есть не более полутора миллиардов лет до полной стерилизации поверхности планеты даже без учёта парникового эффекта от углекислого газ и метана, только за счёт одного водяного пара. Поскольку упомянутые газы в атмосфере присутствуют, час полной стерилизации наступит даже раньше.
Авторы работы считают, что экзопланеты земного типа в зоне обитаемости в первом приближении могут обладать климатом, определяемым теми же факторами, что и земной. В этом смысле учёт наличия там облаков часто может играть ключевую роль в том, пригодна ли поверхность того или иного мира для появления и развития жизни.
