Радіовуглецеве свідчення антропогенної причини потепління

Є три наукових питання, що стосуються потепління клімату. Як буде показано далі, їх фізична природа різна. Тому оптимально сформулювати їх роздільно і відповідати на них послідовно. Отже:

• Питання перше. Чи пов’язане підвищення середньої глобальної температури поверхні Землі з ростом атмосферної концентрації діоксиду вуглецю CO₂?
• Питання друге. Чи викликано це зростання концентрації CO₂ індустріальним розвитком цивілізації за останнє століття, а саме активним використанням викопних палив (вугілля, нафти, газу)?
• Питання третє. Що породжує зростаючу погодну нестійкість — потепління клімату або випадкові фактори?

Ці питання тісно взаємопов’язані, а під час обговорення потепління клімату в засобах масової інформації відповіді на них довільно або свідомо плутають. Тут ми постараємося науково обґрунтовано відповісти на друге питання, але спочатку висловимо думку з першої і третьої проблеми.

Найскладніше дати аргументований висновок за першим пунктом. Те, що температура земної поверхні повинна зростати зі збільшенням вмісту в атмосфері парникових газів (парів води і діоксиду вуглецю CO₂), відомо понад 100 років, з часу роботи 1896 року Сванте Арреніуса [1]. Залежність середньої глобальної температури від концентрації CO₂ називається кліматичною чутливістю. Хоча фізична природа самого парникового ефекту загадки не представляє, вирахувати кліматичну чутливість теоретично не вдається через тісну взаємопов’язаність залучених процесів. Так, вологість атмосфери сама зростає з температурою, а парниковий ефект залежить від стану хмарності. Водяні краплі і кристали льоду не вносять вкладу в парниковий ефект, тому вплив водяних парів обмежений висотою хмар, тоді як дія діоксиду вуглецю на теплове випромінювання Землі простягається на всю атмосферу. На жаль, теорія хмарності поки неповна. Наприклад, не можна з упевненістю сказати, чи була хмарність у льодовикові періоди вище або нижче сучасної. У свою чергу, це означає, що оцінки альбедо планети в минулому не дуже достовірні.

Найточніше обчислити кліматичну чутливість експериментально вдалося К. Снайдер за даними, отриманими при бурінні антарктичних льодів [2] (нею оброблена інформація, що відноситься і до льодовикових, і до відносно теплих періодів, так званих інтергляціалів). Однак застосовність в сучасних умовах знайденої таким чином залежності температури від концентрації CO₂ поки суворо не доведена, а робота Снайдер викликала заперечення [3], на які вона відповіла [4], але переконала далеко не всіх. Застосованості кліматичної чутливості до сучасного клімату додатково перешкоджає той факт, що протягом року зміни температури випереджають за фазою коливання концентрації CO₂ [5], хоча, здавалося б, причинний зв’язок повинен був бути зворотним. До цього парадоксу ми ще повернемося.

Відповідь на третє запитання, чи пов «язані сучасні погодні катаклізми з потеплінням клімату, має наглядову доказовість [6] та фізичне обґрунтування. Воно полягає в тому, що підвищення поверхневої температури посилює конвекцію атмосфери. Зокрема, зростає випаровування води океанів, що призводить до частіших повеней.

Далі ми не будемо тут розглядати, як проходить потепління клімату, а уточнимо зв’язок реєстрованого зростання атмосферної концентрації діоксиду вуглецю з процесами його виділення при спалюванні викопних палив, його поглинання водами океану (і рослинами суші) і зворотного виділення в атмосферу.

Істотну інформацію в цей аналіз додають спостережні ряди вимірювань атмосферної концентрації радіоуглецю ¹⁴C. Радіоактивний ізотоп вуглецю утворюється природним шляхом в результаті взаємодії космічних променів з азотом земної атмосфери і розпадається з періодом напіврозпаду, рівним 5830 років. Ці два процеси забезпечували в минулому приблизно постійну концентрацію ¹⁴C в земній атмосфері. Однак з початком ядерних випробувань ситуація різко змінилася. При ядерних вибухах в атмосфері нейтрони реагували з азотом повітря, утворюючи радіовуглець, і його вміст в атмосфері став зростати.

Ріс. 1. Зміна атмосферних концентрацій радіоуглецю і CO₂ по відношенню до їх рівнів 1950 р. Дані вимірювання радіоуглецю (чорна крива для Північної півкулі, зелена — для Південного) взято з робіт [8, 9, 10]. Добре відомі дані вимірювань атмосферної концентрації CO₂ (синя крива) також нормовані на рівень 1950 р. Коливання всіх експериментальних залежностей відбуваються з періодом 1 рік, це сезонні варіації. Штрихова чорна лінія на кривій ¹⁴C — експонента з характерним часом 13,5 років, штрихова зелена лінія — експонента з характерним часом 16,7 років. Штрихова синя лінія CO₂ — згладжені щорічні середні

У 1958 р. академік А.Д. Сахаров вказав на негативні біологічні наслідки зростання концентрації радіоуглецю [7]. На той час спостережуваний фон радіоуглецю набагато перевищив природний. Висновок Сахарова про довготривалий вплив радіоуглецю на біоту виявився помилковим — він не враховував роль газообміну атмосфери з океаном, параметри якого в 50-х роках були невідомі. Однак його стаття зіграла важливу роль при укладенні Міжнародного договору про заборону ядерних випробувань в атмосфері (набув чинності в жовтні 1965 р.) Як видно з графіка (рис. 1), який побудований за даними вимірювань радіоуглецю [8-10] і діоксиду вуглецю *, після припинення ядерних випробувань в атмосфері концентрація радіоуглецю почала спадати експоненційно швидко.

Усереднене за сезонними коливаннями падіння концентрації радіоуглецю відповідає залежності 1,026 + 0,781exp [‑ (t ‑ 1965 )/^]. Характерний час в експоненті цього виразу дорівнює 13,5 року. У Південній півкулі характерний час убування радіоуглецю дещо більший, він дорівнює 16,7 року. Але суттєво, що обидва ці часи набагато менше періоду ^{напіврозпаду} 14C.

Тому природний розпад не міг зробити помітний внесок у зниження його атмосферної концентрації. Єдине логічне пояснення цього швидкого падіння полягає в тому, що атмосферний радіовуглець у вигляді діоксиду активно поглинався океанською водою (і меншою мірою рослинами суші). Одночасно він розбавлявся стабільними ізотопами вуглецю внаслідок спалювання викопних палив.

Рис, 2. Щорічні варіації концентрації SO₂ (у частинах на мільйон) залежно від широти за згладженими даними супутникових вимірювань [11]. Максимум досягається в лютому, коли опалювальний сезон у Північній півкулі збільшує викиди SO₂, а мінімум — у серпні в полярних широтах, коли діоксид активно поглинається Льодовитим океаном, що звільняється від льоду. Поблизу Антарктиди газ поглинається майже рівномірно протягом усього року. Виділена крива — сезонні варіації на 48 ° с. ш.

Вплив цих процесів на тренди всіх залежностей (рис. 2) було розглянуто в роботі автора [11], де отримані рівняння, що описують зміни концентрацій для обох ізотопів вуглецю. Аналіз спостережних даних дозволив кількісно обчислювати потоки газів з атмосфери в океан і назад за весь час вимірювань. Зокрема, в цій роботі показано, що до 1990 р. домінувало поглинання радіоуглецю океаном, а потім океан почав віддавати його в атмосферу.

Зміни концентрацій радіоуглецю і його стабільних ізотопів після припинення атмосферних ядерних випробувань відбувалися в протилежних напрямках, хоча вони однаково поглинаються рослинами суші і океанською водою. Чому? Причина очевидна: кількість радіоуглецю в атмосфері більше не зростала, а вміст діоксиду стабільних ізотопів постійно збільшувався при спалюванні вугілля, нафти і природного газу. Обидва ці процеси безсумнівно мають антропогенне походження.

Звернемо також увагу на сезонні коливання концентрацій радіоуглецю і діоксиду вуглецю, їх амплітуди і фази. Насамперед зазначимо, що величини амплітуд сезонних коливань ¹⁴S і SO₂ щодо самих концентрацій залишаються майже постійними в часі. З точністю до помилок вимірювань, в обох випадках відносна величина сезонних коливань дорівнює 0,10-0,12. Сталість цього ставлення (його невеликі порушення пов’язані з впливом феномену Ель-Ніньо) дозволяє побудувати загальну сезонну картину коливань.

Освітленість планети Сонцем, а отже, і всі кліматичні залежності мають річні і піврічні періоди. Підставою для обчислення амплітуд і фаз коливань SO₂ на різних широтах послужили супутникові дані [12]. Середні амплітуди і фази для широт з кроком в 10 ° визначалися за допомогою цих даних за формулою, що враховує річні і піврічні періоди: _a1cos(2πt + _ϕ1) + _a2cos(4πt + _ϕ2). Подальше згладжування дозволило отримати картину щорічних сезонних варіацій концентрації діоксиду вуглецю в різних широтних поясах з чітко вираженими максимумом і мінімумом. Максимум досягається в лютому, коли опалювальний сезон у Північній півкулі збільшує викиди S_O2, а мінімум — у серпні в полярних широтах, коли діоксид активно поглинається Льодовитим океаном, що звільняється від льоду. Поблизу Антарктиди газ поглинається майже рівномірно протягом усього року.

Побудований таким чином почесний графік на площині змінних «місяць — географічна широта» наочно свідчить про зв’язок коливань SO₂ з його викидами в атмосферу при спалюванні викопних палив на тих широтах Північної півкулі, де найбільш розвинена промисловість. Очевидно також інтенсивне поглинання газу в полярних широтах і часткове зворотне виділення його в атмосферу в екваторіальних широтах. Сезонні варіації SO₂ дають можливість роз’яснити зазначений раніше парадокс.

Дивлячись на графік рис. 2, легко зрозуміти, чому коливання глобальної температури планети на кілька місяців випереджають коливання діоксиду вуглецю. Очевидна причина цього явища полягає в тому, що драйвером (ініціатором) підвищених викидів SO₂ служить зимове охолодження Північної півкулі. Океан і рослинність суші не встигають компенсувати ці викиди поглинанням, тому концентрація діоксиду зростає, досягає свого максимуму через місяць-півтора після найхолодніших тижнів і потім знижується. У своїй статті [5] О. Хумлум і його співавтори із запізнення коливань SO₂ роблять висновок, що монотонна залежність глобальної температури від концентрації цього парникового газу (кліматична чутливість) взагалі несправедлива, оскільки де причина при цьому випереджає слідство. Цей висновок помилковий.

Рис, 3. Порівняння сезонних коливань концентрацій радіоуглецю (чорна ламана і її періодична штрихова апроксимація) і діоксиду вуглецю на широті 48 ° Північної півкулі (синя крива). Вони відбуваються практично в протифазі — через те, що максимум спалювання викопних палив припадає на зимові місяці Північної півкулі, а потім газ S_O2 (максимум його концентрації досягається в лютому) помітно розбавляє атмосферний радіоуглець

Звернемося тепер до сезонних коливань радіовуглецю. Для кривої ¹⁴S, наведеної на рис. 1, відносна річна амплітуда і фаза виявилися такими: a₁¹⁴ = 0,013 ± 0,004; ϕ₁¹⁴ = 2,22 ± 0,03. Піврічна амплітуда a₂¹⁴ виявилася зневажливо мала. Широта станції Schauinsland (Шауїн^, Німеччина), де проводилися вимірювання концентрації радіоуглецю, дорівнює 47 ° 55. На цій широті річна амплітуда і фаза сезонних варіацій діоксиду вуглецю _{дорівнюють} a1 = 0,014_; ϕ1 = 5,62 ≈ 2,22 + π. Звідси випливає, що коливання концентрації радіоуглецю знаходяться практично в протифазі з коливаннями SO2. Це означає, що вплив розбавлення атмосферного радіоуглецю індустріальною емісією від спалювання викопних палив, що не ^{містять} 14S, виявляється найбільш істотним фактором, що визначає сезонні коливання радіоуглецю. Амплітуда сезонних коливань радіоуглецю в Південній півкулі близька до помилок вимірювань.

З наведеного аналізу випливає однозначний висновок: антропогенний вплив проявляється в тимчасових залежностях концентрацій радіоуглецю і діоксиду вуглецю, як в їх трендах протилежних напрямків, так і в протифазі сезонних коливань.

Література1

. 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. Кисельов А.А., Кароль І.Л. Низка погодних аномалій — випадковість чи закономірність ?//Природа. 2017; 7: 9–16.7

. Сахаров А.Д. Радіоактивний вуглець ядерних вибухів і непорогові біологічні ефекти//Атомна енергія. 1958; 4: 6–45.8.

Levin I., Kromer B. Twenty years of atmospheric 14C^O2 o_bservations 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 a_nd other anthropogenic trace gases using atmospheric 14C^O2 /_/ 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 v_ariability from global satellite data // Journal of Climate. 2012; 25: 6383–6393.

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