Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

в атмосферу, когда атомы Углерода в ископаемом топливе (давно вымершие растения, поглощавшие CO2 из воздуха 100 с лишним миллионов лет назад, в эпоху динозавров) сгорают (иными словами, соединяются с O2) и снова выделяют углекислый газ, CO2. А растущее количество молекул атмосферного CO2 действует подобно лишнему одеялу. С начала промышленной революции, начавшейся в конце XVIII века, мы выбросили в атмосферу примерно 1000 миллиардов тонн CO2. Поэтому, как и предсказывал Брокер, температура земной поверхности возрастает до уровня, которого не наблюдалось уже долгие тысячи лет.

Хотя изменение температуры на 1 °C может показаться не очень значительным, его последствия уже очевидны – это и более интенсивные и долгие периоды аномальной жары, и лесные пожары от Амазонки до Сибири, и более сильные шторма, и таяние ледников, и повышение уровня моря, и изменение характера засухи, вполне способной подорвать сельскохозяйственное производство, необходимое для того, чтобы прокормить 8 миллиардов человек, живущих на планете. Как отмечалось выше, рост температуры, похоже, ускоряется, и лучшие современные модели предсказывают, что, если мы продолжим идти нынешним путем, среднее повышение глобальной температуры составит как минимум 4 °C к концу нынешнего столетия. Прогнозируемый рост температуры приведет к колоссальным потрясениям во всем мире, в том числе и к вынужденной миграции сотен миллионов людей; к массовой нехватке продовольствия; к повышению уровня моря на метр и более, что приведет к затоплению многих прибрежных городов; и ко многим другим пагубным последствиям. Насколько мы уверены в этих предсказаниях?

Рамки этой книги не позволяют нам во всех подробностях оценить климат Земли и рассмотреть модели, которые бы позволили сделать прогноз о его будущей эволюции. Климатическая система сложна, и нужно тщательно учитывать взаимодействие многих параметров. Основное ограничение в построении климатических моделей – относительная нехватка качественных данных, с помощью которых мы можем их проверить. Сведения о температуре, измеренной непосредственно, получены лишь за последние 140 лет, а об осадках, засухах, составе атмосферы и других важных факторах нам известно еще меньше. Безусловно, нам очень пригодились бы более подробные записи о климате минувших эпох, с которыми можно было бы сравнивать наши модели будущего. К счастью, наши историки-атомы дают нам множество таких данных, позволяя судить о том, что происходило миллионы лет назад. В этой главе они поведают свои истории. Но сперва мы ответим вот на какой вопрос: откуда берется весь дополнительный CO2, попадающий в атмосферу?

Откуда взялся новый CO2?

Прямые измерения содержания CO2 в атмосфере начались в 1958 году6. За последние шестьдесят пять лет количество молекул CO2 выросло с 315 на каждый миллион частиц воздуха до 420 миллионных долей (ppm), то есть стало на 33 % больше7. Из некоторых письменных свидетельств, о которых мы поговорим позже в этой главе, нам известно, что такие изменения происходили в далеком прошлом, задолго до появления человека: уровень CO2 был и намного выше, чем в наши дни, и намного ниже. Так откуда же наша уверенность в том, что именно человеческая деятельность, в частности сжигание ископаемого топлива (и тропических лесов), стала причиной недавнего подъема? Может быть, это колебание вызвано теми же естественными механизмами, которые вели к значительным изменениям в прошлом? Как это уже стало привычным в наших исторических экскурсах, убедительные доказательства нам предоставят изотопы Углерода.

В главе 10 мы видели, что растения – это их пища, и большая часть того, что они едят, – это CO2. Но подробный рассказ о фотосинтезе позволил нам увидеть, что они далеко не беспристрастны в еде, – поглощая молекулы CO2 из воздуха и встраивая их в свои молекулы, они неохотно усваивают медленные и тяжелые изотопы 13C и 14C. В главе 8 мы также видели, как деревья (в основном C3-растения) становятся идеальным календарем для изучения прошлого: каждое годичное кольцо соответствует определенному году, а наша общая летопись уходит в прошлое почти на 14 000 лет. Соотношение 14C/12C в отдельных годичных кольцах позволило нам точно определить скорость образования радиоактивного изотопа Углерода и повысить точность радиоуглеродного датирования. А теперь настало время обратиться к соотношению стабильных изотопов 13C/12C и к соотношению 14C/12C, чтобы однозначно опознать источник растущей концентрации CO2 в атмосфере.

Поскольку 13C и 12C – стабильные изотопы и общее количество каждого из них в окружающей среде постоянно, то можно ожидать, что соотношение 13C/12C в куске старой древесины будет таким же, как и в современном живом дереве. И действительно, если изучить годичные кольца деревьев и аналогичные годичные кольца кораллов возрастом от тысячи и более лет, то мы увидим, что соотношение 13C/12C остается неизменным и составляет более 1 части на 10 000, – примерно до 1800 года.

Промышленная революция конца XVIII – начала XIX века ознаменовала появление нового крупного источника выбросов CO2 в атмосферу – сжигания ископаемого топлива. Сначала, в последние десятилетия XVIII века, жгли уголь, затем, в 1820-х годах, – природный газ, а потом, в 1860-х годах, – нефть, благодаря чему произошел взрывной рост обрабатывающей промышленности и производства стали, создавших современный мир. Все эти три вида топлива производятся из материала растений (а также небольшого количества водорослей и планктона), существовавших в период от 360 до 66 миллионов лет назад (см. гл. 12). Как и их современные сородичи, древние С3-растения, произраставшие густыми лесами, избирательно относились к поглощению 13CO2, вследствие чего в их ископаемых останках наблюдается низкое соотношение 13C/12C. Сегодня мы ежегодно сжигаем около 40 миллиардов тонн этих древних растений с дефицитом 13C, а значит, общее соотношение 13C/12C в атмосфере должно снижаться.

И именно это мы видим, когда анализируем соотношение изотопов в старой древесине. Начиная примерно с 1800 года содержание 13C в атмосфере неуклонно снижается, и темпы этого снижения ускоряются по мере того, как мы используем все больше ископаемого топлива. Доиндустриальный уровень содержания CO2 в атмосфере составлял 280 частей на миллион, тогда как сегодня он составляет 420 частей на миллион – иными словами, он возрос на 50 %. Между тем соотношение 13C/12C снизилось на 0,22 % с 1750 года по настоящее время из-за выброса молекул топлива, обедненных 13C8.

Откуда нам известно, что дело в ископаемом топливе, а не в современных растениях? Они также избирательно поглощают 13C, поэтому, когда они умирают и/или сгорают, они также выделяют в атмосферу CO2, обедненный изотопом 13C. Ответ на этот вопрос нам дает еще более тяжелый изотоп 14C. Поскольку он движется медленнее, чем13CO2, вероятность попадания 14CO2 в молекулы растений еще меньше. Но, как мы видели в главе 8, в них достаточно радиоактивного изотопа, чтобы с его помощью мы могли определить пределы колебаний в скорости его образования и установить возраст 14C. Однако возраст самых молодых видов