Мир без облаков

Современное суперкомпьютерное моделирование показывает, что обратная связь между глобальным потеплением и потерей облаков может привести климат Земли к катастрофическому критической отметке всего за столетие. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Мишель Юн/Quanta Magazine; источник: cbglp2

Во время экспедиции в Антарктику в 1987 году палеоокеанограф Джеймс Кеннетт и его команда бросили якорь в море Уэдделла, пробурили морское дно и извлекли вертикальный цилиндрический слой осадка. В слое окаменелостей планктона толщиной в дюйм и других обломков, захороненных на глубине более 150 метров, они обнаружили тревожную подсказку о прошлом планеты, которая может обернуться катастрофой в будущем.

Ниже в осадочном керне в изобилии встречались окаменелости 60 видов планктона. Но в этом тонком поперечном срезе, датируемом примерно 56 миллионами лет назад, число видов сократилось до 17. Кроме того, изотопный состав кислорода и углерода планктона резко изменился. Кеннетт и его студент Лоуэлл Стотт на основании аномальных изотопов сделали вывод, что углекислый газ попал в воздух, что привело к быстрому окислению и нагреванию океана, процессу, аналогичному тому, что мы наблюдаем сегодня.

Пока эти 17 видов планктона погружались в теплеющие воды и оседали на дне Антарктиды, на территории современного Вайоминга погибло существо, похожее на тапира, оставив зуб в ярко-красном слое осадочной породы, простирающемся через бесплодные земли бассейна Бигхорн. В 1992 году Фил Джинджерич, обнаруживший окаменевший зуб, и его коллеги Джим Захос и Пол Кох сообщили о тех же изотопных аномалиях в его эмали, которые Кеннетт и Стотт обнаружили годом ранее в своих океанических находках. Доисторическое млекопитающее также дышало воздухом, насыщенным углекислым газом.

Больше данных появилось в Китае, затем в Европе, а затем и по всему миру. Вырисовалась картина короткого, катастрофического жаркого периода 56 миллионов лет назад, ныне известного как палеоцен-эоценовый термический максимум (ПЭТМ). После того, как удерживающий тепло углерод просочился в небо из неизвестного источника, планета, которая и так была на несколько градусов Цельсия горячее, чем сегодня, потеплела еще на 6 градусов. Океан стал горячим, как джакузи, вблизи экватора, и столкнулся с массовыми вымираниями по всему миру. На суше примитивные обезьяны, лошади и другие ранние млекопитающие продвигались на север, следуя за растительностью в более высокие широты. Млекопитающие также миниатюризировались на протяжении поколений, поскольку листья становились менее питательными в углеродсодержащем воздухе. Сильные штормы опустошали планету; геологическая летопись свидетельствует о внезапных наводнениях и затяжных засухах. Как сказал Кеннетт, «Земля была спровоцирована, и начался ад».

ПЭТМ не только представляет собой пример прошлого изменения климата, вызванного выбросами CO2; учёные утверждают, что он также указывает на неизвестный фактор, оказывающий колоссальное влияние на климат Земли. Когда планета становилась жаркой, она становилась действительно жаркой. Древние эпизоды потепления, подобные ПЭТМ, всегда были гораздо более экстремальными, чем предполагалось теоретическими моделями климата. Даже учитывая различия в географии, океанических течениях и растительности во время этих прошлых эпизодов, палеоклиматологи обнаруживают, что в их моделях, по-видимому, отсутствует нечто важное — фактор X, резкие колебания которого не оставляют следов в палеонтологической летописи.

Появляется всё больше доказательств в пользу ответа, который эксперты давно предполагали, но лишь недавно смогли детально изучить. «Сейчас совершенно очевидно, что ответ — облака», — сказал Мэтт Хубер, специалист по моделированию палеоклимата из Университета Пердью.

В настоящее время облака покрывают около двух третей поверхности планеты в любой момент времени. Однако компьютерное моделирование облаков показывает, что по мере потепления Земли их становится меньше. Из-за уменьшения количества белых поверхностей, отражающих солнечный свет обратно в космос, Земля нагревается ещё сильнее, что приводит к ещё большему исчезновению облаков. Этот цикл обратной связи приводит к тому, что потепление выходит из-под контроля.

На протяжении десятилетий приблизительные расчеты предполагали, что потеря облаков может существенно повлиять на климат, но эта проблема оставалась лишь догадкой до последних нескольких лет, когда наблюдения и моделирование облаков усовершенствовались настолько, что исследователи смогли собрать убедительные доказательства.

Теперь новые данные, опубликованные сегодня в журнале Nature Geoscience, доказывают, что последствия потери облаков достаточно драматичны, чтобы объяснить древние эпизоды потепления, такие как PETM, — и спровоцировать будущую катастрофу. Климатические физики из Калифорнийского технологического института провели современное моделирование слоисто-кучевых облаков, низколежащих, плотных облаков, которые оказывают, безусловно, наибольшее охлаждающее воздействие на планету. Моделирование выявило переломный момент: уровень потепления, при котором слоисто-кучевые облака полностью распадаются. Исчезновение происходит, когда концентрация CO2 в моделируемой атмосфере достигает 1200 частей на миллион — уровня, который сжигание ископаемого топлива может вытеснить нас примерно за столетие, при сценариях выбросов «по умолчанию». В моделировании, когда переломный момент нарушается, температура Земли подскакивает на 8 градусов Цельсия, в дополнение к потеплению на 4 градуса или более, вызванному непосредственно CO2.

Как только облака рассеялись, смоделированный климат «падает в пропасть», заявил Керри Эмануэль, климатолог из Массачусетского технологического института. Эмануэль, ведущий специалист в области физики атмосферы, назвал новые результаты «весьма правдоподобными», хотя, как он отметил, теперь учёным необходимо приложить усилия, чтобы независимо воспроизвести результаты.

Чтобы представить себе потепление на 12 градусов, представьте себе крокодилов, плавающих в Арктике, и выжженные, практически безжизненные экваториальные регионы во время ПЭТМ. Если выбросы углерода не будут сокращены достаточно быстро и точка невозврата будет преодолена, «это будет поистине разрушительное изменение климата», — сказал Тапио Шнайдер из Калифорнийского технологического института, который провел новое моделирование совместно с Коллин Каул и Кайлом Пресселом.

Хубер заявил, что переломный момент в стратокумулусных облаках помогает объяснить волатильность, наблюдаемую в палеоклиматических данных. Он считает, что это может быть одним из многих неизвестных проявлений нестабильности в климате Земли. «Шнайдер и соавторы открыли ящик Пандоры, полный потенциальных климатических сюрпризов», — сказал он, добавив, что по мере того, как механизмы исчезновения облаков становятся ясными, «вдруг эта огромная чувствительность, очевидная для климатических условий прошлого, оказывается не просто чем-то из прошлого. Она становится видением будущего».

Облачный вопрос

Облака бывают самых разных форм: слоистые, заполняющие небо, кучевые, похожие на попкорн, перистые, наковальнеобразные нимбы и их гибриды — и охватывают множество физических масштабов. Состоящие из микроскопических капель, они достигают нескольких миль в поперечнике и в совокупности покрывают большую часть поверхности Земли. Препятствуя солнечному свету достигать поверхности, облака охлаждают планету на несколько критических градусов. И всё же они нематериальны, сотканные воедино сложными физическими механизмами. Если бы клочковатая белая пелена облаков планеты опустилась на землю, она превратилась бы в водянистую пленку толщиной не толще волоса.

На первый взгляд облака кажутся простыми: они образуются, когда тёплый влажный воздух поднимается и охлаждается. Водяной пар в воздухе конденсируется вокруг частиц пыли, морской соли и других частиц, образуя капли жидкой воды или льда — «облачные капли». Но картина становится всё сложнее по мере того, как в игру вступают тепло, испарение, турбулентность, радиация, ветер, география и множество других факторов.

С 1960-х годов физики пытаются понять, как глобальное потепление повлияет на различные виды облаков, и как это, в свою очередь, повлияет на глобальное потепление. На протяжении десятилетий облака считались самым большим источником неопределенности относительно масштабов глобального потепления, помимо того, что общество предпримет для сокращения выбросов углерода.

Кейт Марвел размышляет над вопросом об облаках в Институте космических исследований имени Годдарда при НАСА в Нью-Йорке. Весной прошлого года, в своём офисе, расположенном несколькими этажами выше ресторана Tom’s в Верхнем Вест-Сайде, Марвел, в шарфе с узором из облаков, указала на график, показывающий диапазон прогнозов различных моделей глобального климата. Около 30 моделей, разработанных климатическими исследовательскими центрами по всему миру, учитывают все известные факторы, чтобы предсказать, насколько повысится температура Земли по мере роста уровня CO2.

Каждая климатическая модель решает набор уравнений на сферической сетке, представляющей атмосферу Земли. Суперкомпьютер используется для построения сетки решений во времени, показывая, как воздух и тепло проходят через каждую ячейку сетки и циркулируют вокруг планеты. Добавляя углекислый газ и другие парниковые газы, удерживающие тепло, в моделируемую атмосферу и наблюдая за происходящим, учёные могут предсказать реакцию климата Земли. Все климатические модели включают в себя океанические и ветровые течения Земли, а также большинство важных циклов обратной связи с климатом, таких как таяние полярных ледяных шапок и повышение влажности, которые усугубляют глобальное потепление. Модели согласуются по большинству факторов, но существенно различаются в том, как они пытаются представить облака.

Наименее чувствительные климатические модели, которые предсказывают самую мягкую реакцию на увеличение CO2, показывают, что Земля потеплеет на 2 градуса Цельсия, если концентрация CO2 в атмосфере удвоится по сравнению с доиндустриальными временами, что в настоящее время идет по пути примерно к 2050 году. (Концентрация CO2 составляла 280 частей на миллион до начала сжигания ископаемого топлива, а сейчас она превышает 410 частей на миллион. К настоящему времени средняя глобальная температура выросла на 1 градус Цельсия.) Но прогноз в 2 градуса — это наиболее оптимистичный сценарий. «Что действительно пугает людей, так это верхняя граница», — сказал Марвел, имея в виду прогнозы потепления на 4 или 5 градусов в ответ на удвоение CO2. «Для сравнения, разница между настоящим временем и последним ледниковым периодом составляла 4,5 градуса».

Огромный разброс в прогнозах моделей в основном обусловлен тем, будут ли облака блокировать больше или меньше солнечного света в будущем. Как выразился Марвел: «Можно с уверенностью сказать, что разброс моделей в чувствительности климата — это, по сути, всего лишь разброс моделей в поведении облаков».

Проблема в том, что при компьютерном моделировании глобального климата современные суперкомпьютеры не способны обрабатывать ячейки сетки размером менее 100 на 100 километров. Однако диаметр облаков зачастую не превышает нескольких километров. Поэтому физикам приходится упрощать или «параметризировать» облака в своих глобальных моделях, присваивая каждому элементу сетки общий уровень облачности на основе других свойств, таких как температура и влажность.

Но облака включают в себя взаимодействие стольких механизмов, что неясно, как лучше всего их параметризовать. Потепление Земли и неба усиливает некоторые механизмы, участвующие в образовании облаков, а также подпитывает другие силы, разрушающие облака. Глобальные климатические модели, прогнозирующие потепление на 2 градуса в ответ на удвоение концентрации CO2, как правило, также не показывают существенных изменений в облачности. Модели, прогнозирующие повышение температуры на 4 градуса и более, прогнозируют уменьшение количества облаков в ближайшие десятилетия.

Климатолог Майкл Манн, директор Центра изучения системы Земли при Университете штата Пенсильвания, заявил, что потепление даже на 2 градуса приведёт к «значительным человеческим жертвам и страданиям». Он добавил, что это уничтожит коралловые рифы, рыба которых кормит миллионы людей, а также увеличит риск разрушительных наводнений, лесных пожаров, засух, аномальной жары и ураганов, а также вызовет «повышение уровня моря на несколько футов и создаст угрозу для низкорасположенных островных государств и прибрежных городов мира».

По словам Манна, при достижении 4-градусной границы диапазона мы увидим не только «разрушение коралловых рифов мира, массовую потерю видов животных и катастрофические экстремальные погодные явления», но и «повышение уровня моря на несколько метров, что поставит под сомнение нашу способность к адаптации. Это будет означать конец человеческой цивилизации в её нынешнем виде».

Трудно представить, что может произойти, если через столетие или более слоисто-кучевые облака внезапно полностью исчезнут, что вызовет нечто вроде восьмиградусного скачка температуры в дополнение к уже произошедшему потеплению. «Надеюсь, мы никогда до этого не доживём», — сказал Тапио Шнайдер в своём офисе в Пасадене в прошлом году.

Имитированное небо

За последнее десятилетие развитие суперкомпьютерных вычислений и новые наблюдения за реальными облаками привлекли десятки исследователей, таких как Шнайдер, к проблеме «икс-фактора» глобального потепления. Теперь исследователи могут моделировать динамику облаков с высоким разрешением, создавая участки имитации облаков, которые очень точно соответствуют реальным. Это позволило им увидеть, что происходит при увеличении концентрации CO2.

Сначала физики столкнулись с высокими облаками — ледяными, тонкими, как перистые облака, достигающие высоты в несколько миль. К 2010 году работа Марка Зелинки из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и других учёных убедительно показала, что по мере потепления Земли высокие облака будут подниматься всё выше и смещаться в сторону более высоких широт, где они будут меньше блокировать прямой солнечный свет, чем ближе к экватору. Ожидается, что это несколько усилит потепление, и все глобальные климатические модели учитывают этот эффект.

Но гораздо важнее и сложнее, чем высокие облака, низкие, плотные, турбулентные, особенно слоисто-кучевые. Ярко-белые слоисто-кучевые облака покрывают четверть океана, отражая от 30 до 70 процентов солнечного света, который в противном случае был бы поглощен тёмными волнами внизу. Моделирование слоисто-кучевых облаков требует огромных вычислительных мощностей, поскольку они содержат турбулентные вихри самых разных размеров.

Крис Бретертон, атмосферный учёный и математик из Вашингтонского университета, провёл одно из первых симуляций 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 воздействием CO2 облако становится тоньше. Эта работа и другие результаты, такие как данные со спутников НАСА, указывающие на то, что в тёплые годы меньше облачности, чем в холодные, начали предполагать, что наименее чувствительные модели глобального климата, предсказывающие незначительное изменение облачности и потепление всего на 2 градуса, 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 настоящие облака, подвешивая приборы к крыльям самолетов для измерения атмосферных условий и отражая лазерные лучи от облачных капель.

Во время миссии «Сократ» прошлой зимой Бретертон сел на правительственный исследовательский самолет 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 их относительно нечувствительными к возможным изменениям облачности. Бретертон и его команда решили выяснить, почему облаков в Южном океане так много. Их данные показывают, что облака состоят в основном из переохлажденных капель воды, а не из частиц льда, как долгое время предполагали специалисты по моделированию климата. Капли жидкой воды задерживаются дольше, чем капли льда (которые крупнее и с большей вероятностью выпадают в виде дождя), и, по-видимому, именно поэтому регион более облачный, чем предсказывают глобальные климатические модели. Корректировка моделей с учетом полученных результатов сделает их более чувствительными к потере облачности в этом регионе по мере нагревания планеты. Это одно из нескольких доказательств, сказал Бретертон, «которые говорят в пользу диапазона прогнозов от 3 до 5 градусов, а не от 2 до 3 градусов».

Новая модель Шнайдера, разработанная совместно с Каулом и Пресселем, улучшила более раннюю работу Бретертона, прежде всего, связав происходящее в небольшом участке слоисто-кучевых облаков 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, которое выполнялось в течение 2 миллионов часов работы ядер на суперкомпьютерах в Швейцарии и Калифорнии, смоделировало участок слоисто-кучевых облаков размером примерно 5 на 5 километров, очень похожий на облака у побережья Калифорнии. По мере того, как уровень CO2 в моделируемом небе повышается, а поверхность моря нагревается, динамика облака меняется. Исследователи обнаружили, что наступает переломный момент, и слоисто-кучевые облака внезапно исчезают из-за двух доминирующих факторов, которые работают против их образования. Во-первых, когда более высокие уровни CO2 делают поверхность Земли и небо более горячими, дополнительное тепло вызывает более сильную турбулентность внутри облаков. Турбулентность перемешивает влажный воздух вблизи вершины облака, выталкивая его вверх и через важный пограничный слой, который покрывает слоисто-кучевые облака, одновременно затягивая сухой воздух сверху. Вовлечение, как это называется, работает на разрушение облака.

Во-вторых, поскольку парниковый эффект делает верхние слои атмосферы теплее и, следовательно, более влажными, охлаждение верхней части слоисто-кучевых облаков сверху становится менее эффективным. Это охлаждение крайне важно, поскольку оно заставляет холодный и влажный воздух в верхней части облака опускаться, освобождая место для тёплого и влажного воздуха у поверхности Земли, который поднимается в облако и становится его частью. Когда охлаждение становится менее эффективным, слоисто-кучевые облака становятся тоньше.

Противодействующие силы и эффекты в конечном итоге берут верх; когда уровень CO2 достигает примерно 1200 частей на миллион в моделировании — что может произойти через 100–150 лет, если выбросы не будут ограничены, — большее вовлечение и меньшее охлаждение вступают в сговор и приводят к полному разрушению слоисто-кучевых облаков.

Чтобы увидеть, как потеря облаков повлияет на глобальную температуру, Шнайдер и его коллеги инвертировали подход глобальных климатических моделей, смоделировав облачное пятно с высоким разрешением и параметризовав остальную часть мира за пределами этой области. Они обнаружили, что когда слоисто-кучевые облака исчезли в ходе моделирования, огромное количество дополнительного тепла, поглощенного океаном, увеличило его температуру и скорость испарения. Водяной пар, подобно CO₂, обладает парниковым эффектом, поэтому большее количество водяного пара в небе означает, что больше тепла будет удерживаться на поверхности планеты. Экстраполируя на весь земной шар, потеря низких облаков и рост содержания водяного пара приводит к безудержному потеплению — к пугающему скачку на 8 градусов. После того, как климат совершил этот переход и водяной пар насытил воздух, постепенное снижение содержания CO₂ не вернет облачность. «Существует гистерезис», — сказал Шнайдер, когда состояние системы зависит от её истории. «Необходимо снизить концентрацию CO₂ до уровня, близкого к современному, или даже немного ниже, прежде чем слоисто-кучевые облака снова сформируются».

Палеоклиматологи утверждают, что этот гистерезис может объяснить другие загадки палеоклиматической летописи. В плиоцене, 3 миллиона лет назад, уровень CO2 в атмосфере составлял 400 ppm, что сопоставимо с сегодняшним, но Земля была на 4 градуса теплее. Возможно, это связано с тем, что мы охлаждались после гораздо более тёплого, возможно, преимущественно безоблачного периода, и слоисто-кучевые облака ещё не вернулись.

Прошлое, настоящее и будущее

Шнайдер подчеркнул важную оговорку в исследовании, которую необходимо будет учесть в будущих исследованиях: упрощённая климатическая модель, созданная им и его коллегами, предполагала, что глобальные ветровые течения останутся такими же, как сейчас. Однако есть некоторые свидетельства того, что эти циркуляции могут ослабнуть, что повысит устойчивость слоисто-кучевых облаков, повысив порог их исчезновения с 1200 ppm до более высокого уровня. Другие изменения могут иметь противоположный эффект, или точка невозврата может варьироваться в зависимости от региона.

Чтобы лучше «уловить неоднородность» глобальной системы, сказал Шнайдер, исследователям потребуется использовать множество симуляций облачных пятен для калибровки глобальной климатической модели. «Мне бы очень хотелось, и я надеюсь, что у нас появится такая возможность, — это встроить множество таких [высокоточных] симуляций в глобальную климатическую модель, возможно, десятки тысяч, а затем запустить глобальную климатическую симуляцию, взаимодействующую» со всеми ними», — сказал он. Такая конфигурация позволит более точно прогнозировать точку или точки невозврата слоисто-кучевых облаков.

Предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы достигнем отметки в 1200 частей на миллион или около того. Конечной катастрофы можно избежать, если сократить чистые выбросы углерода до нуля — но это не значит, что человечество не может выбрасывать углерод в атмосферу. В настоящее время мы выбрасываем 10 миллиардов тонн углерода в год, и учёные подсчитали, что Земля может поглощать около 2 миллиардов тонн в год, в дополнение к тому, что выбрасывается и поглощается естественным путём. Если выбросы ископаемого топлива удастся сократить до 2 миллиардов тонн в год за счёт расширения использования солнечной, ветровой, ядерной и геотермальной энергии, изменений в сельскохозяйственном секторе и использования технологий улавливания углерода, антропогенное глобальное потепление замедлится и полностью прекратится.

Что, по мнению Шнайдера, принесёт будущее? Сидя в своём офисе с открытым на экране ноутбука завораживающей симуляцией клубящихся облаков, он сказал: «Я довольно — довольно — оптимистичен, просто потому, что считаю, что солнечная энергия стала намного дешевле. Кривая себестоимости производства электроэнергии из солнечной энергии уже не так далеко от пересечения кривой себестоимости ископаемого топлива. И как только она пересечёт кривую, произойдёт экспоненциальная трансформация целых отраслей».

Керри Эмануэль, климатолог из Массачусетского технологического института, отметил, что возможный экономический коллапс, вызванный более близкими последствиями изменения климата, также может сократить выбросы углерода до того, как будет достигнута точка невозврата слоисто-кучевых облаков.

Но другие непредвиденные изменения и переломные моменты в климате могут ускорить наше движение к краю пропасти. «Я обеспокоен», — сказал Кеннетт, пионер палеоокеанографии, открывший ПЭТМ и нашедший свидетельства многих других бурных периодов в истории Земли. «Вы шутите? На мой взгляд, глобальное потепление — главная проблема нашего времени».

В эпоху ПЭТМ млекопитающие, вновь обретшие популярность после вымирания динозавров, действительно процветали. Их продвижение на север привело к образованию сухопутных мостов, которые позволили им расселиться по всему земному шару, заполняя экологические ниши и снова распространяясь на юг по мере того, как планета поглощала избыток CO2 в атмосфере и охлаждалась на протяжении 200 000 лет. Однако их историю вряд ли можно повторить. По словам учёных, одно из отличий заключается в том, что изначально Земля была гораздо теплее, поэтому не было ледяных шапок, которые могли бы растаять и ускорить потепление и повышение уровня моря.

«Другое важное отличие, — сказал климатолог Гэвин Шмидт, директор Института Годдарда, — заключается в том, что мы здесь и адаптировались к нашему климату. Мы построили наши города вдоль всего побережья; мы создали наши сельскохозяйственные системы, рассчитывая, что дожди будут там, где они есть, а засушливые районы — там, где они есть». И национальные границы там, где они есть. «Мы не готовы к тому, что всё это изменится», — сказал он.

Эта статья была перепечатана на Wired.com .

Источник: www.quantamagazine.org