Часть IV
Климат и углекислый газ

Утром 17 августа 1856 г., когда первые лучи солнца осветили белоснежный конус отдаленной вершины, Джон Тиндаль вышел из гостиницы неподалеку от швейцарского курортного городка Интерлакен и направился по ущелью к горе. Спустя несколько часов он добрался до цели – края ледника. То, что открылось взору, ошеломило его своим «диким, невиданным ранее великолепием». Обливаясь потом от физического напряжения, но подгоняемый вперед растущим восторгом, он поднялся на ледник. Тиндаль был совершенно один в ледяной пустыне.

Абсолютное уединение во льдах было потрясающим. Тишину нарушали лишь «порывы ветра да странный треск обломков тающего льда». Внезапно небо потряс грохот. Тиндаль оцепенел от страха, но потом понял, что это такое – лавина. Он устремил взор «на белый склон, находившийся на несколько тысяч метров выше» и зачарованно наблюдал, как ледяная глыба под воздействием лавины сползает и срывается в пропасть. И снова тишина. Но мгновение спустя небо потряс грохот другой лавины¹.

Впервые Тиндаль увидел ледник семью годами ранее, в 1849 г. Это произошло во время его первой поездки в Швейцарию, когда он еще учился в аспирантуре на кафедре химии в Германии. Но только в 1856 г. Тиндаль – к тому времени уже ставший на стезю, которая в конечном итоге сделает его великим британским ученым XIX в., – приехал в Швейцарию специально для изучения ледников. Результаты его работы окажут впоследствии решающее влияние на осмысление такого феномена, как климат.

Те несколько недель, проведенные в Швейцарии в 1856 г., произвели на Тиндаля неизгладимое впечатление – бескрайность льда, монументальность и загадочность. Он чувствовал «изумление, граничащее с благоговением». Ледники завладели его воображением. Они также стали навязчивой идеей, которая тянула его обратно в Швейцарию – взбираться на ледники, исследовать их, попытаться понять – и заставляла рисковать жизнью.

Уроженец Ирландии, сын констебля, который до этого был сапожником, Тиндаль сперва отправился в Англию, чтобы работать топографом. Но в 1848 г., видя, что у него нет возможности получить в Великобритании научную подготовку, он уехал в Германию учиться у химика Роберта Бунзена (того самого, что изобрел газовую горелку). Там он в совершенстве овладел тем, что потом называл «языком экспериментов». По возвращении в Великобританию Тиндаль получил признание благодаря своей научной деятельности и впоследствии стал влиятельным членом Королевской ассоциации. Среди его многочисленных достижений – научный ответ на вопрос, почему небо голубое².

Но все же он снова и снова возвращался в Швейцарию, чтобы бродить по высокогорью, исследовать местность и при помощи канатов взбираться по склонам гор на ледники. Однажды он чуть не стал первым человеком, покорившим гору Маттерхорн. Но когда до вершины оставалось всего несколько сотен метров, разразилась сильная буря, и проводники отговорили его от дальнейшего восхождения.

Тиндаль понял одну фундаментальную вещь – ледники не стоят на месте. Они не застыли. Они движутся. Он описал горную долину, где «на склонах виднелись следы движения древних ледников, которые когда-то возвышались на 300 м». Но теперь ледников там не было. Впоследствии изучение того, как ледники движутся, как они растут и уменьшаются, стало одним из основных направлений его научной деятельности³.

Интерес Тиндаля к ледникам был связан с уверенностью ряда ученых XIX в. в том, что швейцарские ледники могут дать ответ на вопрос, действительно ли когда-то был ледниковый период. И если да, почему он закончился? Может ли он наступить снова? Это вызвало у Тиндаля другой ряд вопросов: о температуре и о газовой оболочке Земли – атмосфере. Поиск ответов на них привел его к фундаментальному прорыву, который позволил объяснить, как функционирует атмосфера. Именно поэтому Тиндаль занимает одно из ключевых мест в ряду ученых, которые внесли весомый вклад в формирование современного представления о климате.

Но как изменение климата превратилось из предмета научных исследований, которыми занималась горстка ученых, в одну из главных энергетических проблем нашего времени? Этот вопрос имеет очень важное значение для будущего энергетики.

Традиционно энергетические проблемы ассоциируются c такими вопросами, как цены, доступность, безопасность и загрязнение. Сложности добавляют решения правительств относительно распределения энергии, денег и доступа к ресурсам, а также угрозы геополитического конфликта из-за этих ресурсов.

Но сегодня на энергетическую политику на всех уровнях все больше влияет проблема изменения климата и глобального потепления. Предпринимаются попытки преобразовать энергетическую индустрию, с тем чтобы существенно уменьшить количество углекислого газа и других парниковых газов, выделяющихся при сжигании угля, нефти и природного газа, дров и других видов топлива.

Это крайне сложная задача, потому как сегодня свыше 80 % энергии в мире получают путем сжигания ископаемого топлива. Проще говоря, индустриальная цивилизация, сформировавшаяся за два с половиной столетия, опирается на углеводороды.

Углекислый газ и другие парниковые газы, как то метан и закись азота, являются составной частью 100-километровой газовой оболочки Земли, которую называют атмосферой. Только она отделяет нас от космического пространства. Примерно 98 % атмосферы составляют лишь два элемента – кислород и азот. Доля углекислого газа и других парниковых газов незначительна, но они играют важную роль. Они являются своего рода стабилизаторами. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение, одна из составляющих солнечного света, проходит через все атмосферные газы, достигает поверхности Земли и нагревает ее. Земля возвращает это тепло в атмосферу, но не в том виде, в котором оно было получено, – часть коротковолнового излучения преобразуется в инфракрасное излучение, имеющее более значительную длину волны.

Если бы в атмосфере не было углекислого газа и других парниковых газов, инфракрасные лучи беспрепятственно уходили бы в космическое пространство и температура воздуха по ночам опускалась бы ниже нуля. Но парниковые газы (в том числе водяной пар) благодаря своей молекулярной структуре препятствуют этому. Они задерживают часть тепла в форме инфракрасного излучения и перераспределяют его в атмосфере. Таким образом, парниковые газы удерживают температуру воздуха в определенном диапазоне, не допуская ее чрезмерного снижения и чрезмерного повышения, и тем самым делают Землю пригодной и даже благоприятной для жизни.

Ключевой вопрос здесь – концентрация углекислого газа и других парниковых газов. Если она становится слишком высокой, в атмосфере удерживается слишком много тепла. В результате температура воздуха возрастает, что может повлечь изменение климата, которое ощутит на себе все живое на планете. Существуют опасения, что повышение средней температуры всего на два-три градуса приведет к необратимым последствиям.

Содержание углекислого газа в атмосфере со времен промышленной революции неуклонно растет. Основная часть углекислого газа попадает в атмосферу вследствие естественных процессов. Но сжигая топливо, человечество увеличивает концентрацию углекислого газа.

Доля антропогенного углекислого газа в выбросах растет по двум основным причинам. Первая – рост численности населения. Население планеты с 1950 г. увеличилось почти втрое. Зависимость здесь простая: чем больше людей, тем больше потребляется энергии и тем больше выбросы углекислого газа. Вторая причина – рост доходов. Мировой ВВП с 1950 г. вырос тоже втрое, а потребление энергии, увеличивается с ростом доходов. Люди, предки которых жили в холоде и кутались в теплые одежды, сегодня живут в тепле. Люди, родители которых изнемогали от жары в тропиках, теперь имеют кондиционеры. Люди, бабушки и дедушки которых редко выезжали за пределы своего города или деревни, теперь путешествуют по всему миру. Товары, которые два поколения назад люди даже не могли себе представить, теперь производятся в одной части планеты и транспортируются через океаны и континенты к потребителям на другой части. Чтобы все это стало реальностью, из недр земли извлекается углеродсодержащее топливо, которое покоилось там миллионы лет, и сжигается, в результате чего углерод в виде углекислого газа оказывается в атмосфере.

Есть и другие крупные источники выбросов. Углекислый газ выделяется при широкомасштабной вырубке лесов и сжигании деревьев, которые его поглощают. Способствует глобальному потеплению и бедность, потому как бедные люди собирают биомассу и сжигают ее, загрязняя сажей атмосферу. При разведении скота выделяется метан и закись азота. Также метан выделяется при выращивании риса. Но с точки зрения объемов наиболее значимым является углекислый газ.

Ученые стали называть выбросы углекислого газа «экспериментом». Когда-то это слово применительно к климату употреблялось в нейтральном значении – взять хотя бы «язык экспериментов» Тиндаля – и подразумевало любопытство, а не тревогу. Сегодня же оно имеет негативный оттенок. Ученые предостерегают, что эксперимент человечества с атмосферой может привести к необратимому изменению климата – полярные ледяные шапки растают, густонаселенные прибрежные районы окажутся под водой, плодородные территории превратятся в пустыни, некоторые виды флоры и фауны исчезнут, по континентам будут проноситься разрушительные ураганы, а экономические последствия окажутся такими, что никакие страховки не помогут.

Некоторые ученые с этим не согласны. Они говорят, что механизмы не очевидны, что климат менялся всегда, что львиная доля углекислого газа выделяется вследствие естественных процессов и что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, возможно, не является причиной изменения климата, которое могло быть вызвано иными факторами, как то вспышки на Солнце или отклонения Земли от орбиты. Однако таких ученых меньшинство.

Нашей темой здесь является не погода, а изменение климата. Погода – это происходящие день за днем каждодневные колебания, о которых нам рассказывают утром на ТВ в прогнозе погоды. Климат же – это нечто гораздо более масштабное и далеко идущее. Это также нечто гораздо более отвлеченное – не то, с чем мы сталкиваемся каждый день, а то, что формируется десятилетиями и даже столетиями.

Так почему это нечто настолько сложное и отвлеченное, что оно скорее подразумевается, а не осязается, стало вдруг предопределять будущее энергетики и образ жизни людей, превратилось в одну из главных проблем на международном уровне? Именно об этом пойдет речь ниже.

Как ни странно, но ледники, их наступление и отступление являются постоянными фигурантами, лейтмотивом и даже главным аспектом изучения изменения климата с самого начала исследований и до сегодняшних дней с их картинами тающей антарктической ледяной шапки, от которой откалываются и падают в воду большие глыбы льда. Сегодня ледники выступают в качестве климатической Кассандры. Но они также – живая история, своего рода машина времени, позволяющая перенестись на 20 000 лет назад.

В конце XVIII – начале XIX в. ряд научных загадок составил интеллектуальную основу представлений об изменении климата. Одной из них была температура на поверхности Земли. Проще говоря, почему на Земле стала возможна жизнь? Иными словами, почему в дневные часы, когда светит солнце, на планете нет невыносимой жары, а в ночные – леденящего холода? Другой было подозрение – и даже опасение, – что нынешней эпохе умеренных температур предшествовало нечто иное, более экстремальное, нечто, что упоминается в контексте истории человечества как ледниковый период.

Эти научные загадки привели к появлению двух важных вопросов: что могло вызвать изменение климата? И могут ли ледники вернуться, как какие-нибудь громадные, страшные первобытные чудовища, круша все на своем пути, давя и уничтожая человеческую цивилизацию?

А началось все со Швейцарских Альп и их ледников, более чем за полвека до того, как там побывал Джон Тиндаль.

Орас Бенедикт де Соссюр, ученый, профессор Женевской академии, был еще и альпинистом, исследователем гор, человеком, который посвятил свою жизнь изучению мира швейцарских горных вершин. Чтобы описать свое призвание, он использовал в классической работе «Путешествия в Альпах» (Voyages dans les Alpes) слово «геология». Соссюра привлекали тепло и высота, он создал устройства для измерения температуры на вершинах гор и на дне озер⁴.

Но все то время, пока он бродил по швейцарским горам, ему не давал покоя один вопрос: почему не все приземное тепло уходит ночью в космос? В поисках ответа Соссюр в 1770-х гг. смастерил так называемый «термоящик» – миниатюрную теплицу. Его стенки и дно были покрыты темной корой пробкового дерева, а крышка изготовлена из стекла. Когда в ящик со светом проникало тепло, оно там задерживалось, и температура внутри росла. Возможно, подумал Соссюр, атмосфера действует так же, как и стекло. Возможно, атмосфера играет роль крышки для Земли, которая пропускает свет, но удерживает часть тепла, благодаря чему температура воздуха у поверхности Земли после захода солнца снижается несущественно⁵.

В последующие десятилетия ученые, возвращаясь к предмету исследований Соссюра, в частности к «термоящику» Соссюра, стали использовать термин «парник» или «теплица» для объяснения того, как атмосфера удерживает тепло. Но как это происходит? И почему?

Швейцарский ученый Луи Агассис тоже был одержим ледниками, причем настолько, что ради изучения механизмов формирования и разрушения ледников оставил исследование ископаемых рыб. Он даже соорудил хижину на леднике Аар и стал жить в ней, чтобы следить за движением ледника.

В 1837 г., более чем за десятилетие до того, как Джон Тиндаль впервые увидел ледник, Агассис выдвинул революционную гипотезу. Он заявил, что нашей эпохе предшествовало нечто иное. Имелся в виду ледниковый период, во время которого большая часть Европы была покрыта льдом – «огромными массивами льда, подобными существующим ныне в Гренландии». В этот период, по его словам, в мире круглый год стояла сибирская зима – «белый саван укрывал всю природу».

Лед, утверждал Агассис, появился в результате резкого, загадочного падения температуры в рамках циклического процесса, который идет с самых первых дней существования Земли. Отступая на север, ледники оставляли после себя долины, горы, ущелья, озера, фьорды, валуны и гравий, по которым можно проследить их движение.

Смелую гипотезу Агассиса восприняли весьма скептически. Один коллега посоветовал ему оставить в покое ледники и вернуться к своим «любимым ископаемым рыбам».

Но Агассис не сдался. В результате исследований он обнаружил новые доказательства движения ледников, или, как он их называл, «великого плуга Господа». Позже Агассис переехал в США, где стал профессором Гарвардского университета. Он организовал экспедицию на Великие озера, результаты работы которой показали, что они образовались в результате наступления и отступления ледников – еще одно доказательство того, что ледниковый период действительно был. Доказав, что Земля переживала разные температурные эпохи, Агассис фактически стал изобретателем понятия «климат»⁶.

В основу исследования Джона Тиндаля легли работы его предшественников. Движимый интересом к миграции ледников в Европе, он решил выяснить, действительно ли атмосфера может задерживать тепло и если да, то каким образом. Если он поймет, как это происходит, то сможет объяснить, как изменяется климат, т. е. процесс эволюции ледников.

С этой целью Тиндаль соорудил в своей лаборатории в здании Королевской ассоциации на улице Албемарл-стрит в Лондоне новое устройство. Это был спектрофотометр – прибор, позволяющий определить, могут ли газы задерживать тепло и свет. Если газы проницаемы, они не будут задерживать тепло, и ему придется искать иное объяснение. Сначала он экспериментировал с газами, которых в атмосфере больше всего, – с азотом и кислородом. К его разочарованию, они оказались проницаемыми – свет свободно проходил через них.

Что еще можно проверить? Ответ находился непосредственно в лаборатории – каменноугольный газ, также известный как городской газ. Это был углеродсодержащий газ, главным образом метан, который получали путем перегонки угля и который подавала в его лабораторию в качестве горючего вещества для светильников местная осветительная компания. Когда Тиндаль ввел каменноугольный газ в спектрофотометр, он обнаружил, что этот газ, хотя и невидимый глазом, является непроницаемым для инфракрасного излучения – он давал темную линию. Тиндаль получил доказательство. Этот газ задерживал инфракрасное излучение. Затем он провел эксперимент с водяным паром и углекислым газом. Они тоже оказались непроницаемыми. Это означало, что они тоже задерживают тепло.

Тиндаль ликовал. «Экспериментировал весь день, – написал он в дневнике 18 мая 1859 г., радостно добавив: – Предмет полностью в моих руках!» Через три недели он выступил с лекцией на заседании Королевской ассоциации, на котором председательствовал принц-консорт Альберт, супруг королевы Виктории, продемонстрировав и пояснив свое открытие и его значимость. Там, на Албемарл-стрит, неподалеку от Пикадилли, было приведено «первое публичное, основанное на результатах экспериментов описание» парникового эффекта⁷.

«Как плотина на реке образует заводь, так и наша атмосфера, являющаяся барьером для испускаемых земной поверхностью (инфракрасных) лучей, приводит к повышению температуры у поверхности Земли, – пояснял Тиндаль. – Если бы не атмосфера, все растения, не переносящие отрицательной температуры, несомненно, погибли бы… Атмосфера впускает солнечное тепло, но ограничивает его выход, следствием этого является накопление тепла у поверхности планеты».

Тиндаль в своей лаборатории, по сути, разъяснил механизм парникового эффекта, разъяснил, как формируется климат и почему, как он выразился, «любое изменение» состава атмосферы «должно приводить к изменению климата». Также нашла подтверждение теория Луи Агассиса насчет ледникового периода: изменения концентрации газов в атмосфере «возможно, вызвали все те изменения климата, следы которых обнаруживают геологи».

Этим вклад Тиндаля в развитие науки не ограничился, и впоследствии он обрел всемирную известность. Он до глубокой старости регулярно приезжал в Швейцарию, взбирался на ледники и поднимался на горные вершины. Тиндаль, долгое время занимавшийся альпинизмом и не раз смотревший в лицо смерти, ушел из жизни в 1893 г. в 73 года при прозаических обстоятельствах: жена по ошибке дала ему, страдающему бессонницей, слишком большую дозу снотворного. Уходя из жизни, он прошептал: «Бедная моя любимая, ты убила своего Джона»⁸.

Через год после смерти Тиндаля, в 1894 г., его дело продолжил шведский химик Сванте Аррениус. Аррениуса интересовало, как увеличение или уменьшение содержания углекислого газа – или углекислоты, как его называли в то время – влияет на климат. Он тоже хотел внести свою лепту в раскрытие механизмов ледникового периода, наступления и отступления ледников, а также «некоторых моментов геологической климатологии».

Ученая карьера Аррениуса складывалась не гладко. Его диплом кандидата наук долго не хотели признавать в Уппсальском университете. Но обосновавшись в Стокгольме, он обнаружил, что интерес к углекислому газу и ледниковому периоду у него вспыхнул с новой силой благодаря научному семинару, который проводился по субботам. После развода и утраты опеки над сыном у Аррениуса появилась масса свободного времени, и он с головой погрузился в утомительные расчеты, работая иногда по 14 часов в сутки, чтобы определить, как изменения концентрации углекислого газа влияют на климат.

Спустя год результаты были готовы. Аррениус сказал: «О влиянии поглощения тепла атмосферой на климат написано немало». Его расчеты показали, что уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере наполовину вызовет снижение средней температуры на планете на 4–5 °С, а увеличение содержания углекислого газа вдвое – рост средней температуры на 4–5 °С. У Аррениуса не было суперкомпьютера, он пришел к таким выводам, выполнив огромное количество расчетов вручную. Тем не менее его результаты находятся в пределах диапазона, полученного при помощи современных моделей⁹.

Даже если Аррениус и предсказывал в какой-то мере глобальное потепление, то его перспектива совершенно не вызывала у него беспокойства. Он полагал, что содержание углекислого газа в атмосфере удвоится через 3000 лет и в любом случае ничего плохого в этом нет: увеличение концентрации углекислого газа не только сделает невозможным новый ледниковый период, но и позволит человечеству «наслаждаться более ровным и благоприятным климатом», особенно в «холодных районах планеты», что позволит «получать гораздо более обильные урожаи, чем сегодня». Одинокому шведскому химику, который не понаслышке знал, что такое долгая, холодная зима, такое будущее представлялось совсем неплохим¹⁰.

«Мой дед первым зазвонил в колокол, и люди тогда очень этим заинтересовались, – сказал его внук Густаф Аррениус, тоже известный химик. – Интерес был просто огромен, но не из-за угрозы, а из-за того, что жить станет гораздо комфортнее. Он считал, что будет просто замечательно, если в “северных краях” установится более мягкий климат. И к тому же углекислый газ будет стимулировать рост сельскохозяйственных культур – они начнут расти быстрее. Поэтому он и его современники только жалели, что, согласно расчетам, это произойдет еще очень нескоро»¹¹.

Но со временем тема углекислого газа и климата отошла на второй план. Сам Аррениус обратился к другим вопросам. В 1903 г. ему присудили Нобелевскую премию по химии – неплохо для человека, чей диплом кандидата наук поначалу не хотели признавать.

В последующие десятилетия мир стал гораздо более индустриальным. Главным топливом был уголь – как при производстве электроэнергии, так и в других отраслях промышленности, – что означало увеличение выбросов в атмосферу «углекислоты», т. е. углекислого газа. Климату же внимания практически не уделялось.

В начале 1930-х гг., в годы Великой депрессии, американский Средний Запад поразила засуха. Из-за длительного применения неправильных способов возделывания земель пахотный слой почвы разрушился, сильный ветер сметал его, поднимались пыльные бури, иногда настолько сильные, что не было видно солнца, а земля теряла плодородие¹². Но эта засуха была «погодой», а не «климатом». О климате не говорил никто. Или почти никто.

В 1938 г. в Королевское метеорологическое общество Великобритании поступила работа одного метеоролога-любителя. Гай Стюарт Каллендар не был профессиональным ученым, он был инженером-теплотехником. Выводы Аррениуса подтверждались в его работе новыми фактами. Каллендар начинал с признания того, что у углекислотной теории «неоднозначная история». Но не для него. Он был одержим углекислым газом и его воздействием на климат и все свободное время собирал и анализировал данные о характере погоды и выбросах углекислого газа. Результаты его анализа подтверждали выводы Аррениуса. Они показывали, что концентрация углекислого газа в атмосфере действительно растет и что это ведет к изменению климата, а именно к глобальному потеплению¹³.

Как и Аррениуса, Каллендара это совершенно не беспокоило. Он тоже полагал, что от глобального потепления человечество только выиграет. Помимо прочего потепление придаст новый импульс сельскому хозяйству, а «возвращение смертоносных ледников будет отложено на неопределенное время»¹⁴.

Поскольку Каллендар был любителем, профессионалы, присутствовавшие тем вечером на заседании Королевского метеорологического общества, не восприняли его доводы всерьез. Мало ли, что может придумать какой-то там инженер-теплотехник.

Тем не менее то, что описал Каллендар, – роль углекислого газа в изменении климата – в конечном итоге получило название «эффекта Каллендара». «Его утверждения спасли концепцию глобального потепления от забвения и вывели ее на рынок идей», – писал один историк. Но возрождение было лишь временным, и в течение многих лет после этого концепцию категорически отвергали. Похоже, никто не воспринимал ее всерьез¹⁵. Так, в 1951 г. один видный климатолог заметил, что углекислотная теория изменения климата «не получила широкого признания и была отвергнута».