Мир без облаков: потеря слоисто-кучевых облаков может сорвать климат в пропасть
В 1987 году палеоокеанолог Джеймс Кеннетт и его команда отправились в Антарктику. В море Уэдделла они бросили якорь, пробурили морское дно и извлекли вертикальный цилиндр осадочных пород. В слое толщиной около двух с половиной сантиметров, залегающем на глубине более ста пятидесяти метров, среди окаменелостей планктона и другого детрита они обнаружили тревожный след прошлого планеты, который может предвещать катастрофу в будущем.
Ниже по колонке породы окаменелости изобиловали шестьюдесятью видами планктона. Но в том тонком слое, относящемся примерно к периоду пятьдесят шесть миллионов лет назад, число видов упало до семнадцати. Изотопный состав кислорода и углерода в планктоне резко изменился. Кеннетт и его ученик Лоуэлл Скотт сделали вывод: углекислый газ заполнил воздух, океан быстро закислился и нагрелся — процесс, похожий на тот, что мы наблюдаем сегодня.
Пока эти семнадцать видов планктона опускались сквозь тёплые воды и оседали на антарктическом дне, в районе, где сейчас находится Вайоминг, погибло существо, похожее на тапира. Его зуб остался в ярко-красном слое осадочной породы, проходящем через бедленды бассейна Бигхорн. В 1992 году нашедший этот зуб Фил Гингерих вместе с коллегами Джимом Захосом и Полом Кохом сообщили о тех же изотопных аномалиях в эмали зуба, которые Кеннетт и Скотт годом ранее описали в своих океанических находках. Доисторическое млекопитающее также дышало воздухом, переполненным углекислым газом.
Затем данные появились в Китае, потом в Европе, потом повсюду. Сложилась картина краткого катастрофического периода жары пятьдесят шесть миллионов лет назад, известного сегодня как палеоцен-эоценовый термический максимум. После того как удерживающий тепло углерод по неизвестной причине попал в атмосферу, планета, которая и без того была на несколько градусов Цельсия теплее сегодняшней, нагрелась ещё на шесть градусов. Океан у экватора стал горячим, как ванна с подогревом, и пережил массовые вымирания по всему миру. На суше примитивные обезьяны, лошади и другие ранние млекопитающие двинулись на север, следуя за растительностью в более высокие широты. Млекопитающие также уменьшались в размерах из поколения в поколение, поскольку листья становились менее питательными в воздухе, насыщенном углеродом. Планету терзали жестокие бури; геологическая летопись указывает на внезапные наводнения и затяжные засухи. Как выразился Кеннетт, «Земля была приведена в действие, и всё вырвалось на свободу».
Палеоцен-эоценовый термический максимум даёт не только пример прошлого изменения климата, вызванного углекислым газом. Учёные говорят, что он указывает и на неизвестный фактор, оказывающий огромное влияние на климат Земли. Когда планета нагревалась, она нагревалась по-настоящему сильно. Древние эпизоды потепления, подобные этому, всегда были гораздо более экстремальными, чем предполагают теоретические модели климата. Даже с учётом различий в географии, океанических течениях и растительности в те далёкие эпохи палеоклиматологи обнаруживают, что в их моделях отсутствует нечто важное — неизвестный фактор, чьи резкие колебания не оставляют следов в ископаемой летописи.
Свидетельства накапливаются в пользу ответа, который эксперты давно подозревали, но лишь недавно получили возможность изучать в подробностях. «Сейчас совершенно ясно, что ответ — облака», — говорит Мэтт Хьюбер, специалист по моделированию палеоклимата из Университета Пердью.
Облака сегодня покрывают около двух третей планеты в любой момент времени. Но компьютерные модели облаков начинают показывать, что по мере нагревания Земли облаков становится меньше. С уменьшением числа белых поверхностей, отражающих солнечный свет обратно в космос, Земля нагревается ещё сильнее, что ведёт к дальнейшей потере облаков. Эта петля обратной связи заставляет потепление выходить из-под контроля.
Десятилетиями грубые расчёты указывали на то, что потеря облаков может значительно повлиять на климат, но это оставалось предположением, пока в последние годы наблюдения и моделирование облаков не улучшились настолько, что исследователи смогли собрать убедительные доказательства.
Теперь новые результаты, опубликованные в журнале «Нейчур Джиосайенс», показывают, что эффекты потери облаков достаточно масштабны, чтобы объяснить древние эпизоды потепления, подобные палеоцен-эоценовому максимуму, и спровоцировать будущую катастрофу. Физики климата из Калифорнийского технологического института выполнили современное моделирование слоисто-кучевых облаков — низких, пелёнообразных, которые оказывают наибольший охлаждающий эффект на планету. Моделирование выявило критическую точку: уровень потепления, при котором слоисто-кучевые облака полностью распадаются. Исчезновение происходит, когда концентрация углекислого газа в смоделированной атмосфере достигает тысячи двухсот миллионных долей — уровня, который сжигание ископаемого топлива может заставить нас перейти примерно через столетие при сценариях с сохранением текущих объёмов выбросов. В модели, когда критическая точка пройдена, температура Земли взлетает на восемь градусов Цельсия вдобавок к четырём градусам потепления или более, вызванным непосредственно углекислым газом.
Как только облака исчезают, смоделированный климат «срывается в пропасть», говорит Керри Эмануэль, специалист по климату из Массачусетского технологического института. Ведущий авторитет в области физики атмосферы, Эмануэль назвал новые результаты «весьма правдоподобными», хотя, как он отметил, учёным теперь необходимо предпринять усилия для независимого воспроизведения работы.
Чтобы представить двенадцать градусов потепления, вспомните крокодилов, плавающих в Арктике, и выжженные, почти безжизненные экваториальные области в период палеоцен-эоценового максимума. Если выбросы углерода не будут быстро сокращены и критическая точка будет пройдена, «это будет поистине разрушительным изменением климата», говорит Тапио Шнайдер из Калифорнийского технологического института, выполнивший новое моделирование вместе с Коллин Каул и Кайлом Пресслом.
Хьюбер сказал, что критическая точка для слоисто-кучевых облаков помогает объяснить нестабильность, очевидную в палеоклиматической летописи. Он полагает, что она может быть одной из многих неизвестных нестабильностей в климате Земли. «Шнайдер и соавторы открыли ящик Пандоры потенциальных климатических сюрпризов», — сказал он, добавив, что по мере прояснения механизмов исчезновения облаков «вдруг эта огромная чувствительность, очевидная из прошлых климатов, перестаёт быть чем-то, что осталось в прошлом. Она становится образом будущего».
Вопрос об облаках
Облака бывают разной формы — заполняющие небо слоистые, кучевые, похожие на попкорн, перистые, наковальнеобразные дождевые и их гибриды — и охватывают множество физических масштабов. Состоящие из микроскопических капель, они простираются на километры и в совокупности покрывают большую часть поверхности Земли. Блокируя солнечный свет, облака охлаждают планету на несколько важнейших градусов. И всё же они бесплотны, сотканы в своё величие сложной физикой. Если бы пёстрая белая пелена облаков опустилась на землю, она образовала бы водянистый слой толщиной не больше волоса.
Облака кажутся простыми: они образуются, когда тёплый влажный воздух поднимается и охлаждается. Водяной пар в воздухе конденсируется вокруг пылинок, морской соли или других частиц, образуя капли жидкой воды или льда — облачные капли. Но картина становится всё сложнее, когда в игру вступают тепло, испарение, турбулентность, излучение, ветер, география и множество других факторов.
Физики борются с 1960-х годов, пытаясь понять, как глобальное потепление повлияет на разные виды облаков и как это, в свою очередь, повлияет на потепление. Десятилетиями облака считались самым большим источником неопределённости в вопросе о том, насколько суровым будет глобальное потепление — помимо того, что общество сделает для сокращения выбросов углерода.
Кейт Марвел размышляет над вопросом об облаках в Институте космических исследований Годдарда в Нью-Йорке. Прошлой весной в своём кабинете несколькими этажами выше ресторана Тома на Верхнем Вест-Сайде Марвел, в шарфе с облачным узором, указала на график, показывающий диапазон предсказаний разных глобальных климатических моделей. Около тридцати моделей, которыми управляют климатические исследовательские центры по всему миру, учитывают все известные факторы, чтобы предсказать, насколько повысится температура Земли при росте концентрации углекислого газа.
Каждая климатическая модель решает набор уравнений на сферической сетке, представляющей атмосферу Земли. Суперкомпьютер используется для продвижения сетки решений вперёд во времени, показывая, как воздух и тепло перемещаются через каждую ячейку и циркулируют вокруг планеты. Добавляя углекислый газ и другие парниковые газы в смоделированную атмосферу и наблюдая за результатом, учёные могут предсказать реакцию климата Земли. Все климатические модели включают океанические и ветровые течения Земли и учитывают большинство важных климатических обратных связей, таких как таяние полярных ледяных шапок и рост влажности, которые оба усиливают глобальное потепление. Модели согласуются по большинству факторов, но сильно различаются в том, как они пытаются представить облака.
Наименее чувствительные климатические модели, предсказывающие самую мягкую реакцию на рост углекислого газа, показывают, что Земля нагреется на два градуса Цельсия при удвоении концентрации углекислого газа в атмосфере относительно доиндустриального времени. Это должно произойти примерно к 2050 году. Концентрация углекислого газа составляла двести восемьдесят миллионных долей до начала сжигания ископаемого топлива, а сейчас превышает четыреста десять миллионных долей. Пока средняя глобальная температура поднялась на один градус Цельсия. Но предсказание в два градуса — это наилучший сценарий. «Что действительно пугает людей, так это верхняя граница», — сказала Марвел, указывая на прогнозы в четыре или пять градусов потепления в ответ на удвоение углекислого газа. «Для контекста: разница между сейчас и последним ледниковым периодом составляла четыре с половиной градуса».
Огромный разброс в предсказаниях моделей сводится главным образом к тому, видят ли они облака блокирующими больше или меньше солнечного света в будущем. Как выразилась Марвел, «можно довольно уверенно сказать, что разброс моделей в климатической чувствительности — это в основном разброс моделей в том, что будут делать облака».
Проблема в том, что в компьютерных симуляциях глобального климата сегодняшние суперкомпьютеры не могут разрешить ячейки сетки меньше примерно ста километров на сто километров. Но облака часто не превышают нескольких километров в поперечнике. Поэтому физикам приходится упрощать или параметризовать облака в своих глобальных моделях, назначая общий уровень облачности каждой ячейке сетки на основе других свойств, таких как температура и влажность.
Но облака связаны с взаимодействием столь многих механизмов, что неочевидно, как лучше всего их параметризовать. Нагревание Земли и неба усиливает одни механизмы, участвующие в образовании облаков, одновременно подпитывая другие силы, которые облака разрушают. Глобальные климатические модели, предсказывающие два градуса потепления в ответ на удвоение углекислого газа, как правило, также показывают малое изменение облачности или его отсутствие. Модели, прогнозирующие рост на четыре или более градусов, предсказывают меньше облаков в ближайшие десятилетия.
Климатолог Майкл Манн, директор Центра наук о системе Земли в Университете штата Пенсильвания, сказал, что даже два градуса потепления вызовут «значительные потери жизни и страдания». Он сказал, что это убьёт коралловые рифы, рыба которых кормит миллионы, а также повысит риск разрушительных наводнений, лесных пожаров, засух, волн жары и ураганов и вызовет «подъём уровня моря на метр с лишним и угрозы для низколежащих островных государств и прибрежных городов мира».
На верхней границе диапазона, в четыре градуса, мы увидим не только «уничтожение коралловых рифов мира, массовую потерю видов животных и катастрофические экстремальные погодные явления», сказал Манн, но и «подъём уровня моря на метры, что бросит вызов нашей способности к адаптации. Это будет означать конец человеческой цивилизации в её нынешней форме».
Трудно вообразить, что может произойти, если через столетие или больше слоисто-кучевые облака внезапно исчезнут полностью, запустив нечто вроде восьмиградусного скачка поверх потепления, которое уже произойдёт. «Я надеюсь, мы никогда до этого не дойдём», — сказал Тапио Шнайдер в своём офисе в Пасадене в прошлом году.
Смоделированное небо
В последнее десятилетие достижения в области суперкомпьютерных мощностей и новые наблюдения реальных облаков привлекли десятки исследователей, таких как Шнайдер, к проблеме неизвестного фактора глобального потепления. Исследователи теперь могут моделировать динамику облаков с высоким разрешением, создавая участки смоделированных облаков, которые близко соответствуют реальным. Это позволило им увидеть, что происходит, когда они повышают уровень углекислого газа.
Сначала физики разобрались с высокими облаками — ледяными, перистыми, которые находятся на высоте нескольких километров. К 2010 году работа Марка Зелинки из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и других убедительно показала, что по мере нагревания Земли высокие облака будут подниматься выше в небе, а также смещаться к более высоким широтам, где они не будут блокировать столько прямого солнечного света, сколько ближе к экватору. Ожидается, что это немного усилит потепление, и все глобальные климатические модели учли этот эффект.
Но гораздо более важными и более сложными, чем высокие облака, являются низкие, толстые, турбулентные — особенно слоисто-кучевые. Ярко-белые пелены слоисто-кучевых облаков покрывают четверть океана, отражая от тридцати до семидесяти процентов солнечного света, который иначе был бы поглощён тёмными волнами внизу. Моделирование слоисто-кучевых облаков требует огромной вычислительной мощности, поскольку они содержат турбулентные вихри всех размеров.
Крис Бретертон, специалист по атмосфере и математик из Вашингтонского университета, выполнил одни из первых моделирований этих облаков в сочетании с идеализированными климатическими моделями в 2013 и 2014 годах. Он и его коллеги смоделировали небольшой участок слоисто-кучевых облаков и обнаружили, что по мере нагревания морской поверхности под ним под влиянием углекислого газа облако становится тоньше. Эта работа и другие находки — например, спутниковые данные Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США, указывающие, что более тёплые годы менее облачны, чем более холодные, — начали говорить о том, что наименее чувствительные глобальные климатические модели, предсказывающие малое изменение облачности и всего два градуса потепления, вероятно, неверны.
Бретертон, которого Шнайдер называет «самым умным человеком в этой области», не только разрабатывает одни из лучших моделей слоисто-кучевых облаков; он и его команда также летают сквозь реальные облака, подвешивая приборы к крыльям самолётов для измерения атмосферных условий и направляя лазеры на облачные капли.
В ходе миссии «Сократес» прошлой зимой Бретертон сел на правительственный исследовательский самолёт и пролетел сквозь слоисто-кучевые облака над Южным океаном между Тасманией и Антарктидой. Глобальные климатические модели, как правило, сильно недооценивают облачность этого региона, что делает модели относительно нечувствительными к возможным изменениям облачности. Бретертон и его команда задались целью выяснить, почему облака Южного океана так обильны. Их данные указывают, что облака состоят в основном из переохлаждённых капель воды, а не ледяных частиц, как долго предполагали климатические моделисты. Капли жидкой воды держатся дольше, чем ледяные частицы (которые крупнее и чаще выпадают дождём), и, похоже, именно поэтому регион более облачен, чем предсказывают глобальные климатические модели. Настройка моделей для отражения этих находок сделает их более чувствительными к потере облаков в этом регионе по мере нагревания планеты. Это одна из нескольких линий доказательств, сказал Бретертон, «которая благоприятствовала бы диапазону предсказаний в три-пять градусов, а не диапазону в два-три градуса».
Новое моделирование Шнайдера с Каул и Пресслом улучшило более раннюю работу Бретертона главным образом за счёт связи того, что происходит в небольшом участке слоисто-кучевого облака, с простой моделью остального климата Земли. Это позволило им впервые исследовать, как эти облака не только реагируют на глобальную температуру, но и влияют на неё, в потенциальной петле обратной связи.
Их моделирование, потребовавшее два миллиона процессорных часов на суперкомпьютерах в Швейцарии и Калифорнии, воспроизвело участок слоисто-кучевого облака размером примерно пять на пять километров, похожего на облака у побережья Калифорнии. По мере роста концентрации углекислого газа в смоделированном небе и нагревания морской поверхности динамика облака меняется. Исследователи обнаружили, что критическая точка наступает, и слоисто-кучевые облака внезапно исчезают, из-за двух доминирующих факторов, которые работают против их образования. Во-первых, когда более высокие уровни углекислого газа делают поверхность Земли и небо горячее, дополнительное тепло вызывает более сильную турбулентность внутри облаков. Турбулентность перемешивает влажный воздух у вершины облака, выталкивая его вверх и наружу через важный пограничный слой, который ограничивает слоисто-кучевые облака, одновременно втягивая сухой воздух сверху. Этот процесс, называемый вовлечением, разрушает облако.
Во-вторых, поскольку парниковый эффект делает верхние слои атмосферы теплее и, следовательно, более влажными, охлаждение вершин слоисто-кучевых облаков сверху становится менее эффективным. Это охлаждение необходимо, потому что оно заставляет комки холодного влажного воздуха у вершины облака опускаться, освобождая место для тёплого влажного воздуха у поверхности Земли, который поднимается в облако и становится им. Когда охлаждение становится менее эффективным, слоисто-кучевые облака становятся тоньше.
Противодействующие силы и эффекты в конечном итоге оказываются подавленными; когда концентрация углекислого газа достигает примерно тысячи двухсот миллионных долей в модели — что может произойти через сто или сто пятьдесят лет, если выбросы не будут сокращены, — большее вовлечение и меньшее охлаждение объединяются, чтобы полностью разрушить слоисто-кучевое облако.
Чтобы увидеть, как потеря облаков повлияет на глобальную температуру, Шнайдер и коллеги обратили подход глобальных климатических моделей: они моделировали свой участок облака с высоким разрешением, а остальной мир за пределами этого участка параметризовали. Они обнаружили, что когда слоисто-кучевые облака исчезли в моделировании, огромное количество дополнительного тепла, поглощённого океаном, повысило его температуру и скорость испарения. Водяной пар оказывает парниковый эффект, подобный углекислому газу, поэтому больше водяного пара в небе означает, что больше тепла будет удерживаться у поверхности планеты. Экстраполированный на весь земной шар, потеря низких облаков и рост водяного пара ведут к неконтролируемому потеплению — тому самому страшному восьмиградусному скачку. После того как климат совершит этот переход и водяной пар насытит воздух, снижение концентрации углекислого газа не вернёт облака. «Существует гистерезис, — сказал Шнайдер, — когда состояние системы зависит от её истории. Нужно снизить концентрацию углекислого газа до значений около сегодняшних, даже немного ниже, прежде чем слоисто-кучевые облака снова образуются».
Палеоклиматологи сказали, что этот гистерезис может объяснить и другие загадки палеоклиматической летописи. В плиоцене, три миллиона лет назад, концентрация углекислого газа в атмосфере составляла четыреста миллионных долей, как сегодня, но Земля была на четыре градуса горячее. Это может быть потому, что мы остывали от гораздо более тёплого, возможно, в значительной степени безоблачного периода, и слоисто-кучевые облака ещё не вернулись.
Прошлое, настоящее и будущее
Шнайдер подчеркнул важную оговорку к исследованию, которую предстоит устранить в будущей работе: упрощённая климатическая модель, которую он и его коллеги создали, предполагала, что глобальные ветровые течения останутся такими, как сейчас. Однако есть некоторые свидетельства того, что эти циркуляции могут ослабнуть таким образом, что сделает слоисто-кучевые облака более устойчивыми, подняв порог их исчезновения с тысячи двухсот миллионных долей до более высокого уровня. Другие изменения могут дать противоположный эффект, или критическая точка может варьироваться в зависимости от региона.
Чтобы лучше уловить неоднородность глобальной системы, сказал Шнайдер, исследователям нужно будет использовать множество моделирований облачных участков для калибровки глобальной климатической модели. «Что мне очень хотелось бы сделать и на что я надеюсь получить шанс, — это встроить множество-множество этих высокоразрешающих моделирований в глобальную климатическую модель, может быть, десятки тысяч, а затем запустить глобальное климатическое моделирование, которое взаимодействует со всеми ними», — сказал он. Такая установка позволила бы более точно предсказать критическую точку или точки для слоисто-кучевых облаков.
До достижения тысячи двухсот миллионных долей или около того ещё далеко. Окончательной катастрофы можно избежать, если чистые выбросы углерода удастся свести к нулю — что не означает, что люди не смогут выбрасывать углерод в атмосферу. Сейчас мы выбрасываем десять миллиардов тонн в год, и учёные оценивают, что Земля может поглощать около двух миллиардов тонн в год вдобавок к тому, что естественно выбрасывается и поглощается. Если выбросы ископаемого топлива удастся сократить до двух миллиардов тонн в год за счёт расширения солнечной, ветровой, ядерной и геотермальной энергетики, изменений в сельском хозяйстве и использования технологий улавливания углерода, антропогенное глобальное потепление замедлится и остановится.
Что Шнайдер думает о будущем? Сидя в своём офисе с открытым на ноутбуке завораживающим моделированием клубящихся облаков, он сказал: «Я скорее — довольно — оптимистично настроен, просто потому что думаю, что солнечная энергия стала такой дешёвой. Кривая стоимости производства электроэнергии из солнечной энергии не так далека от пересечения с кривой стоимости ископаемого топлива. И как только она пересечётся, произойдёт экспоненциальная трансформация целых отраслей».
Керри Эмануэль, климатолог из Массачусетского технологического института, отметил, что возможный экономический коллапс, вызванный более близкими по времени эффектами изменения климата, также может сократить выбросы углерода до достижения критической точки для слоисто-кучевых облаков.
Но другие непредвиденные изменения и климатические критические точки могут ускорить наше приближение к пропасти. «Я волнуюсь, — сказал Кеннетт, пионер палеоокеанографии, обнаруживший палеоцен-эоценовый термический максимум и раскопавший свидетельства многих других бурных периодов в истории Земли. — Вы шутите? Что касается меня, глобальное потепление — главная проблема нашего времени».
Во время палеоцен-эоценового термического максимума млекопитающие, недавно возвысившиеся после падения динозавров, фактически процветали. Их марш на север привёл их к сухопутным мостам, позволившим им распространиться по всему миру, заполняя экологические ниши и снова двигаясь на юг, когда планета поглотила избыток углекислого газа из атмосферы и охладилась за двести тысяч лет. Однако их история вряд ли та, которую мы можем надеяться повторить. Одно различие, говорят учёные, в том, что Земля тогда была гораздо теплее изначально, поэтому не было ледяных шапок, чтобы таять и ускорять потепление и подъём уровня моря.
«Другое большое различие, — сказал климатолог Гэвин Шмидт, директор Института Годдарда, — в том, что мы здесь, и мы адаптированы к тому климату, который у нас есть. Мы построили наши города по всем побережьям; мы построили наши сельскохозяйственные системы в расчёте на то, что дождь будет там, где он есть, а засушливые области — там, где они есть». И национальные границы там, где они есть. «Мы не готовы к тому, что всё это сдвинется», — сказал он.
Комментарии 0
