Господствующей в тот момент являлась гипотеза, предполагавшая, что в результате повышения среднепланетарной температуры и концентрации СО₂ увеличится скорость фотосинтеза, что, в свою очередь, должно будет привести к стабилизации среднепланетарной температуры Земли и концентрации СО₂ на новом, более высоком уровне .

Целью нашей работы (Лаборатория биофизики биоценозов ИБК РАН) было определение равновесных параметров атмосферы Земли (температуры, концентрации СО₂ ) при условии продолжающегося сжигания углеводородного топлива (уголь, нефть, газ и др.). Планировалось рассмотреть несколько сценариев развития мировой энергетики, а также максимально подробно учесть различные процессы, происходящие в живой и неживой природе Земли.

Проведенный анализ литературы показал, что, несмотря на большое количество научных публикаций о парниковом эффекте, среди них практически отсутствовали междисциплинарные работы, в которых делались бы попытки построения интегральной модели данного явления, включающей процессы в живой и неживой природе.

Более того, выяснилось, что в этой области существует немало ошибочных, но, при этом, благодаря популярным изданиям, устоявшихся взглядов. Концептуально (к 1992 г.) проблема описания парникового эффекта практически находилась в том же состоянии, в котором она находилась в конце 50-х - начале 60-х годов (Будыко).

К сожалению, во многих публикациях по экологии (особенно в научно-популярных) сравниваются величины общей продукции органических веществ в результате фотосинтеза и техногенного выброса СО₂, что создает иллюзию тривиальной обратимости современных изменений в атмосфере Земли.

Примечание: Здесь и в приложении все величины указаны в пересчете на углерод. В приложении, кроме того, все величины даны в пересчете на 1 см² поверхности Земли (510 млн. км² = 0.51 х 10¹⁹ см² ).

Для долговременного извлечения СО₂ из атмосферы необходимо, чтобы значительная часть связанного в результате процессов фотосинтеза углерода оказывалась недоступна для процессов окисления. Такие условия существуют только в биоценозах болот и биоценозах тропических морей (см. приложение 4 ).

В биоценозе болота отмирающая растительность попадает в стоячую воду с крайне низким содержанием растворенного кислорода и накапливается там, практически не разлагаясь (частичное анаэробное разложение с образованием метана не меняет общей картины). Накапливающиеся в болотах частично разложившиеся остатки растительности образуют торфяные пласты, из которых впоследствии образуются месторождения бурого и каменного угля.

В настоящее время общая площадь болот на Земле сократилась почти в два раза и продолжает сокращаться в результате их осушения. Соответственно уменьшается количество извлекаемого из атмосферы СО₂ . Следует отметить, что зачастую осушение болот сопровождается вымиранием видов, приспособленных к существованию в определенных условиях конкретных болот, расположенных в конкретной климатической зоне. Поэтому восстановление площади болот связано сегодня не только с трудностью изъятия земель из сельскохозяйственного оборота, но и невозможностью восстановления в ряде случаев полноценных биоценотических сообществ.

В биоценозах тропических морей изъятие СО₂ из океанической воды, куда он попадает из атмосферы, происходит несколько иным образом. Углекислый газ используется в качестве "строительного материала" при образовании известковых раковин и чехлов. Практически все карбонаты земной коры (известняки, доломиты, мрамор, мел и т.д.) имеют биогенное происхождение. Среди наиболее важных климатообразующих видов отметим коралловые полипы и фораминиферовый планктон (всего около 80 видов).

Следует отметить, что состояние климатообразующих биоценозов тропических морей изучено слабо. Имеются разрозненные сведения о гибели коралловых рифов. Систематические наблюдения состояния фораминиферового микропланктона не проводятся, хотя можно предположить, что в результате сброса гербицидов и пестицидов в Мировой океан одним из наиболее уязвимых компонентов биоценоза тропических морей окажется именно фораминиферовый планктон.

Отметим, что нами, по-видимому, впервые было введено понятие климатообразующих биоценозов (видов) и объединены проблемы биоразнообразия и устойчивости климата Земли.

Примечание: В Приложении 4 показаны основные процессы, влияющие на концентрацию СО₂ в атмосфере Земли. Стрелками обозначены причинно-следственные связи между процессами. Красными стрелками - прямое действие, синими - обратное (тормозящее). Фигурка человека обозначает антропогенное воздействие.

Повышение среднепланетарной температуры Земли даже на 5^о С имело бы катастрофические последствия для человеческой цивилизации. Повышение среднепланетарной температуры на 15^о С, по-видимому, сделало бы невозможным существование жизни на Земле (по меньшей мере, в ее нынешней форме). Поэтому для обозначения такого сценария изменения климата Земли в результате повышения концентрации СО₂ , при котором рост среднепланетарной температуры составит 5^о С и более, нами введено понятие "Парниковой катастрофы".

Нами была предложена сравнительно простая модель, позволившая дать количественную оценку влияния концентрации парниковых газов на среднепланетарную температуру

где D Т (CO₂) - прирост температуры поверхности планеты за счет парникового эффекта,

С _{со 2} - концентрация парниковых газов у поверхности планеты, С^кр _{со 2} - концентрация парниковых газов, при которой атмосфера поглощает половину длинноволнового (инфракрасного) излучения поверхности планеты, b - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность температуры

и зависящий от таких универсальных параметров, как: m _co2, - молярная масса парникового газа, с _P - изобарная теплоемкость атмосферы , R₀ - универсальная газовая постоянная, T - температура планеты, лишенной парникового эффекта. Для Земли и Венеры коэффициенты b примерно равны и составляют 37^о С.

Формула (1) дает правильное значение современной среднепланетарной температуры, как для Земли, так и для Венеры (см. приложение 6). Изменение среднепланетарной температуры Земли в соответствии с формулой (1) должно было бы составить (за время инструментальных наблюдений концентрации СО₂ ) около 8^о С.

• Во-первых, при оценке величины парникового эффекта целью наших расчетов было получение предельного стационарного значения температуры Земли. Поскольку рост концентрации СО₂ в атмосфере происходит сравнительно быстро, реально среднепланетарная температура Земли не успевает достичь своего стационарного значения. Отметим здесь, прежде всего, роль Мирового океана, как гигантского теплового буфера, стабилизирующего температуру Земли. Кстати, на полюсах, где влияние Мирового океана на формирование температурного режима не столь значительно, происходят более существенные колебания среднегодовой температуры (см. приложение 7 ).
• Во-вторых, наряду с парниковым эффектом, имеются и другие механизмы, влияющие на формирование среднепланетарной температуры Земли. Одним из таких механизмов является накопление аэрозольных частиц в верхних слоях атмосферы. Именно этот механизм лежит в основе широко известной модели "ядерной зимы" (Моисеев и другие), когда в результате обмена ядерными ударами в атмосферу попадает значительное количество аэрозолей. Считается, что падение среднепланетарной температуры Земли в результате наступления "ядерной зимы" может составить 4^о С и более.

Среди источников аэрозольных частиц особо следует выделить проведение наземных ядерных испытаний, проводившихся в период с 1945 по 1965 год и быстрое развитие реактивной гражданской авиации в период до 1970 года (нефтяной кризис), поскольку данные источники аэрозольного загрязнения атмосферы приводят к непосредственному поступлению сажевых аэрозольных частиц в верхние слои атмосферы (стратосферу). Возможно, именно эти факторы привели к относительной стабилизации (и даже к снижению в приполярных областях) среднепланетарной температуры в период с 40-х по 70-е годы 20-го века.

Следует подчеркнуть, что создание строгой количественной модели изменения среднепланетарной температуры Земли, учитывающей наряду с ростом концентрации СО₂ в атмосфере аэрозольное загрязнение ее верхних слоев, а также и другие факторы, такие, как инерционность изменения температурного режима Мирового океана, представляет собой весьма сложную задачу, для решения которой требуется объединение усилий специалистов самых различных областей научного знания.

Таблица 1.

Сценарии развития мировой энергетики	Критическая стадия парниковой катастрофы D Т = 5о С	Терминальная стадия парниковой катастрофы D Т = 15о С
Оптимистический сценарий техногенный выброс СО2 останется постоянным (первое удвоение концентрации СО2 произойдет через 100 лет).	300 лет	6000 лет
Реалистический сценарий техногенный выброс СО2 будет расти теми же темпами, что и сегодня (удвоение концентрации СО2 будет происходить каждые 50 лет).	100 лет	300 лет

Отметим, что учет тепловой инерции Мирового океана и аэрозольного загрязнения верхних слоев атмосферы, в силу относительно малых характерных времен этих процессов, не способен принципиально изменить приведенные оценки, хотя и несколько отдаляет времена катастрофических изменений климата Земли.

• Повышение температуры вод Мирового океана вслед за изменением среднепланетарной температуры Земли будет приводить к понижению растворимости углекислого газа (СО₂ ) в океанической воде. Излишек углекислого газа будет поступать в атмосферу. Поскольку в Мировом океане содержится примерно в 60 раз больше СО₂ , чем в современной атмосфере, то потенциально этот источник СО₂ представляет собой большую опасность.
• Еще большее количество связанного СО₂ содержится в земной коре (почти в 50 000 раз больше, чем в атмосфере Земли и примерно столько же, сколько в атмосфере Венеры) в виде карбонатосодержащих пород (известняки, доломиты, мрамор, мел и т. д.). Разложение карбонатов, как в результате смещения температурных зон из-за повышения температуры поверхности Земли, так и в результате воздействия человека на земную кору (подземные испытания ядерного оружия, бурение скважин и т. д.) может привести к выделению огромных количеств СО₂ в атмосферу.
• Другим потенциально опасным природным источником СО₂ является метан-гидратные залежи на дне Мирового океана, представляющие собой кристаллические комплексы молекул метана и воды. Такие комплексы устойчивы только при высоком давлении и низких температурах. Повышение температуры придонных вод Мирового океана может привести к потере устойчивости метан-гидратных комплексов, их разложению и поступлению в атмосферу значительных количеств метана и СО₂ (в результате окисления метана метан-окисляющими бактериями и непосредственного окисления в верхних слоях атмосферы)