Методические материалы, статьи

И дым отечества…

России свойственно куда-нибудь вступать. То в Первую мировую войну, то в ВТО (причем во Всемирную торговую организацию, а отнюдь не во Всероссийское театральное общество). Куда все – туда же и мы… Ну, не может же быть, чтобы все были дураками – одни мы умными? Хотя весь мировой и даже сугубо личный опыт подсказывает: ой как может (вместе с США и Австралией)! А вот чтобы все – умными, – почему-то не бывает.

Очередной выход России в мир связан с Киотским протоколом Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Не так давно (1997 г.) в городе Киото, древней столице Японии, вполне серьезные научные мужи вполне серьезно порешили, что негоже человечеству слишком захламлять атмосферу парниковыми газами, такими как метан, закись азота, некоторые фтористые соединения и, главное, двуокись углерода, которой на момент написания Киотского протокола мы производили около 30 000 миллиардов тонн в год, иначе Землю ждет общее потепление с непредсказуемыми, но несомненно плохими последствиями особенно для человечества. А поскольку полностью запретить их производство невозможно, иначе пришлось бы перекрыть основные источники электроэнергии (тепловые электростанции), автомобильную промышленность со всеми ее товарами на выходе, химическую промышленность, значительную часть пищевой (коровники и другие жилища парнокопытных, например, являются существенным источником метана) и много еще чего, без чего ни один человек, каким бы зеленым он не был, прожить уже не в состоянии. Поэтому предложено было ввести квоты на ежегодные объемы выхлопа парниковых газов. Причем страны с развитой промышленностью могли выкупать недостающие им для нормального развития промышленности объемы у стран, где дым фабричных труб не так заметен за неимением не только оных, но и самих фабрик. В общем, подписывай и… только успевай расплачиваться.

Платить придется за воздух. В любом смысле этого слова.

Правда, академик РАЕН О. Г. Сорохтин сомневается, что углекислый газ является парниковым. Целая группа исследователей считают, что на ранних этапах истории Земли (в архее), когда нарождающаяся жизнь особенно нуждалась в тепле, а Солнце еще не могло ее обогреть, утеплителем служил метан, а вовсе не двуокись углерода. Именно под метановой атмосферой процветали метанокисляющие бактерии, оставившие многочисленные следы в изотопной и молекулярной летописи планеты, и древнейшие бактериальные сообщества.

С разрушением метанового утеплителя на Земле и начались похолодания. Причем совершенно непохожие на нынешнее (напоминаю, что мы живем в ледниковую эпоху: если кто-то не верит — может выглянуть в окно). Около 600 миллионов лет назад, к примеру, оледенение в большей степени затронуло тропические широты, чем полярные. За последние 250 миллионов лет наивысшее содержание углекислого газа в атмосфере пришлось на вторую половину мелового периода: в пять-восемь раз больше, чем ныне. Но средние температуры не превышали современные даже в два раза: в Заполярье было потеплее, а в экваториальном поясе, видимо, даже попрохладнее. Так что о какой-то определенной связи между уровнем содержания в атмосфере СО2 и температурами говорить не приходится.

Однако большинство ученых считают, что по крайней мере с протерозоя (то есть от 2,5 миллиардов лет назад и позднее, вплоть до наших дней) основным атмосферным газом, влияющим на температуру на поверхности нашей планеты, был все-таки углекислый. Правда, что именно и как влияло на содержание двуокиси углерода в атмосфере (а также гидросфере и литосфере) остается загадкой, по крайней мере для думающих специалистов.

Изменение содержания О2 и СО2 в атмосфере и биотические события за последние 550 млн лет

Для недумающих — все очень просто: часто, к примеру и сожалению, приходится читать, что хорошим поглотителем углекислого газа служат рифовые экосистемы. Действительно, в них сосредоточены огромные запасы карбоната кальция (прибавляя ежегодно по 900 миллионов тонн). Соблазнительно допустить, как многие и делают, что на образование всех разновидностей этого минерала уходит атмосферная двуокись углерода. Однако элементарная формула процесса обызвествления (кораллов, губок, водорослей, простейших), обеспечивающего рост и расширение рифов, выявляет как раз обратное. Причем процесс этот отнюдь не равновесный и происходит с явным сдвигом в правую строну, в результате чего рифы подгазовывают атмосферу на 245 миллионов тонн углекислоты в год. Немногим меньше наземных (в смысле неподводных) вулканов (около 65 миллиардов тонн в год, но к этой цифре мы еще вернемся…), не говоря уж о каком-нибудь Северном Габоне. Хорошо, что мудрецам, породившим Киотский протокол, никто ничего про рифы не сказал. А то бы велено было самую разнообразную на Земле экосистему срыть с лица этой самой Земли.

Идея о связи содержания в атмосфере Земли углекислого газа с ее температурой и процессами на поверхности родилась чуть более ста лет назад. В 1899 году английский геолог Т. Чамберлин предположил, что этот газ расходуется на выветривание горных пород, главным образом вступая в реакцию с содержащимися в них силикатными минералами. Значит, в период интенсивного горообразования, когда в контакт с атмосферой вступают значительные объемы «свежих» силикатных минералов, может происходить резкое падение уровня атмосферной двуокиси углерода и столь же быстрое похолодание. К этой незамысловатой гипотезе возвращались неоднократно: ведь, действительно, многим периодам похолодания и оледенения в истории Земли предшествовали эпохи горообразования. Но добыть более-менее обоснованные доказательства смогли лишь десять лет назад, когда по изотопной летописи научились привязывать к определенному интервалу столь длительные события, как рост гор и интенсивность этого явления. Одновременное возвышение столь мощных горных систем, как Альпийско-Гималайский пояс и Анды, в кайнозойскую эру, особенно начиная с миоценовой эпохи (около 20 миллионов лет назад), совпало по времени с наступлением последней ледниковой эпохи. Причем по мере усиления горообразовательных процессов возрастала и степень химического выветривания горных силикатных минералов. Казалось бы, загадка великих оледенений наконец решена…

Однако почти тут же последовало «разоблачение»: ведь горообразование связано с существенным нагревом пород, ведущим к выделению в атмосферу углекислого газа. Причем в таком количестве, что образование Гималаев должно было бы привести к повышению наземной температуры на полградуса Цельсия, в то время как его поглощение — к понижению на две десятых. В итоге получаем дополнительный прирост в +0,30С, что никак не вяжется с обещанным глобальным похолоданием.

Тем не менее Янцзы, Ганг с Брахмапутрой и Амазонка — реки, берущие свое начало именно в Тибете, Гималаях и Андах, — выносят в океан свыше 20 процентов карбонатных растворов, образовавшихся при химическом выветривании. Значит, поглощение «излишков» углекислого газа в этих регионах все-таки происходит. Но как?

Как можно ускорить химическое выветривание, если площадь обнажившихся горных пород даже во время столь стремительных (в геологическом смысле) процессов, как горообразование, прирастает очень незначительно? Оказалось, что можно, если, конечно, на планете существует жизнь. Биосфера и без человека давно уже вмешивается во все происходящие на Земле события, а по мнению Дж. Лавлока, придумавшего гипотезу «Геи», регулирует климат как по-своему разумное единое целое. Даже не отходя на крайние позиции Дж. Лавлока, нельзя не отметить, что поверхность листьев европейских деревьев и кустарников в четыре раза больше площади самой Европы, а поверхность корней превышает последнюю в 80-400 раз. Причем это не просто площадь, а весьма активный интерфейс, где выделяются сильные органические кислоты, способствующие химическому выветриванию, и куда напрямую подводится углекислый газ, взятый из атмосферы. Гниющий листовой опад и прочие растительные остатки придают этому процессу дополнительное ускорение.

Опять же «здравый смысл», подкрепленный картинами успешной борьбы против эрозии почв с помощью лесопосадок, отказывается воспринимать очевидные цифры. Но почвы — это как раз то, что образуется из коренных пород благодаря корням и химическому выветриванию. И хотя глобальные модели зависимости уровня содержания углекислого газа в атмосфере Земли неплохо согласуются с характером ее растительного покрова в течение последних 450 миллионов лет (приблизительно на этом рубеже началось освоение растениями суши), замерить их реальную взаимосвязь оказалось очень сложно. Сначала данные о химическом выветривании горных пород даже столь медленно растущими организмами, как лишайники, оказались весьма обнадеживающими. Потом выяснилось, что за продукты выветривания приняли осевшую на лишайниках пыль, принесенную ветром. И все же высшие растения, несомненно, способствуют химическому выветриванию, а в речках, стекающих с облесенных базальтовых гористых островов, продуктов выветривания растворено на порядок больше, чем в водных артериях на островах «лысых». Да и о себе растения не забывают: твердые древесные породы, пальмы, травы содержат в своих тканях до 3 процентов кремнезема.

Вместе с растворенными карбонатами в океан поступают и другие продукты жизнедеятельности наземных растений, в первую очередь железо, нитраты и фосфаты. Скопление этих жизненно важных, по-научному — биогенных, соединений вызывает «цветение» бактериального (синезеленые водоросли) и растительного планктона. К последнему относятся различные группы свободно плавающих одноклеточных водорослей. Все они нуждаются не только в биогенных веществах, но и в двуокиси углерода, без которой не может идти фотосинтез. Но чтобы оказать заметное воздействие на уровень углекислого газа, водоросли должны получать «подкормку». Опыты по рассеиванию железа в тех районах Тихого океана, где обычно наблюдается дефицит этого элемента, привели к быстрому росту биомассы фитопланктона и одновременному падению содержания СО2 в атмосфере. Кстати, именно этот эффект практически нейтрализует поступления в атмосферу углекислого газа от подводного и островного вулканизма: вместе с газами вулканы выбрасывают значительное количество металлических «удобрений», и поспевающий водорослевый урожай потребляет весь углекислый газ.

Конечно, востребованный водорослями и бактериями углекислый газ вскоре возвращается обратно. Растут и размножаются не только они: активизируется зоопланктон, питающийся этими организмами, и далее все звенья пищевой цепочки вплоть до деструкторов (грибов и бактерий), которые разлагают многократно употребленную органику на исходные составляющие. В итоге каждый атом углерода успевает от 10 до 75 раз в году отметиться в составе молекулы СО2, побывать в шкуре (или оболочке) какого-нибудь организма, дожить до стадии детрита, окончательно деградировать и вновь воспарить в небо. Добиться прогрессивного изъятия двуокиси углерода из оборота можно только захоранивая органические вещества, и желательно поглубже (где-нибудь в осадках на океаническом дне).

Чтобы в этом убедиться, не обязательно возводить полностью изолированную лабораторию и начинать в ней эксперимент сроком на несколько десятков тысячелетий. Достаточно обратиться к ископаемой летописи. Одно из последних значительных похолоданий случилось около 55 миллионов лет назад (на рубеже палеоценовой и эоценовой эпох). К началу того события Земля была полностью свободна от снежных шапок; крокодилы и черепахи нежились на пляжах острова Элсмира (примерно на 75-й широте); пальмы обрамляли побережье Камчатки (впрочем, нынешние ее губернаторы, наверное, и сейчас так считают); а температура вод на курортах Антарктики достигала +200С. Причем значительное повышение средней приповерхностной температуры Земли (на 5-70С) произошло всего за 30 тысяч лет и, вероятно, было связано с ростом содержания в атмосфере СО2, образовавшегося при планетарном метановом выбросе. Однако последовавшая вспышка продуктивности фитопланктона не только притормозила дальнейшее накопление углекислого газа и повышение температуры, но даже привела на некоторое время к ее снижению на 100С.

Возможно, что подобное вмешательство водорослей в регулирование земного климата произошло не впервые. Так, очень необычная ледниковая эпоха наступила в конце ордовикского периода (около 450 миллионов лет назад). Резкое падение средней температуры произошло менее чем за 500 тысяч лет на фоне ничего не предвещавшего глобального потепления. Предполагается, что столкновение островных дуг с будущими Северной и Южной Америками привело в то время к активизации вулканов. Тучи вулканической пыли, взметнувшиеся в верхние слои атмосферы, отражали солнечные лучи, что и привело к снижению доли тепла, получаемого планетой от Солнца. Оказалось, что морские осадочные горные породы, накопившиеся к самому началу оледенения, переполнены остатками одноклеточных планктонных водорослей, причем одного и того же вида. (Скудность видового разнообразия при обилии представителей самого вида, как правило, свидетельствует о высокой продуктивности данной экосистемы). Значит, вулканическая активность могла привести к сбросу в океан большой массы биогенов, способствовавших обильному «цветению» планктона со всеми вытекающими последствиями: снижением уровня углекислого газа, вызвавшего похолодание, и вымиранием значительного числа морских организмов.

Однако возможен и совершенно иной сценарий событий. В ледниковые эпохи с континентов в океаны выдувается огромное количество пыли с высоким содержанием железа. Это природное удобрение вызывает стремительный прирост биомассы фитопланктона. Деструкторы перестают справляться с его разложением. Потребленный углекислый газ, ставший частью органики, «уходит на дно». Уровень его содержания в атмосфере падает. То есть оледенение выступает косвенной причиной изъятия излишков этого газа из атмосферы, а не наоборот. И какой сценарий нас ожидает в будущем?

Подсчитано, что обитатели океана могут потребить на свои нужды в 15 раз больше углекислого газа в год, чем человек в состоянии произвести за это же время, сжигая органическое топливо, вырубая леса и делая все, что он привык делать. Однако «могут» — не значит «потребят». Почему так случилось в конце ордовикского периода и начале эоценовой эпохи, до сих пор до конца не ясно.

Возможно, был пройден некий температурный порог, благоприятный для живших в те эпохи водорослей, и их заменили другие. Многие из микроскопических водорослей предпочитают не слишком жаркий климат и, кстати, способны понизить температуру на 1-30С и повысить влажность, выделяя в атмосферу некоторые вещества. Поэтому определенное прибавление двуокиси углерода может привести к усилению сухости климата и без всякого парникового эффекта. Просто при повышенных концентрациях этого газа обызвествление водорослей ухудшается, и на смену известковому планктону, чьи химические выделения увлажняют климат, приходит кремневый, не обладающий этим качеством. Да и само массовое развитие известкового планктона как бы провоцирует дальнейшие события, что и случилось во второй половине мелового периода.

Обилие кокколитофорид — мельчайших обызвествленных водорослей (в одном литре морской воды их может скопиться более 100 миллионов штук) — привело к смещению центров накопления карбонатных осадков от берегов в глубины океана. Но именно оттуда эти осадки, двигаясь вместе с тяжелой океанической плитой, быстрее оказываются «переварены» тектоническими процессами и через вулканы изрыгаются обратно в виде углекислого газа. Последующее потепление привело к снижению их численности, вплоть до резкого падения, ставшего одной из причин самого значительного в истории Земли вымирания.

В регулировке температуры задействовано множество процессов, включая определенные стадии орбитальных циклов (задающих время потеплений и оледенений, но отнюдь не их интенсивность), положение континентов, их площадь, доступная выветриванию, характер горообразовательных процессов и вулканизма, особенности растительного и облачного покрова, наличие тех или иных групп планктона, активность организмов деструкторов…

Список можно продолжать и продолжать. Конечно, сейчас в нем есть место и человеческой деятельности. Вопрос только в том, первое оно или последнее? (Вот если органический мир океана отдаст всего 2 процента из своих запасов углерода, содержание углекислого газа в атмосфере сразу удвоится). А пока на него нет хотя бы приблизительного ответа, с подписанием Киотского протокола можно и обождать. И получим ли мы когда-нибудь такой ответ, тоже не известно. В конце концов, наука дает отдачу ровно на столько, сколько в нее вкладывают.

Андрей Журавлев



См. также:
Самый удобный функционал в игровых автоматах
Преимущества онлайн-казино
Как заработать на игровых автоматах
Несколько советов по выбору интернет-казино
Как найти надежное интернет-казино
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005