Земля становится теплее, и причиной этого являются люди. Вот почему.
Давайте на минутку притворимся. Притворитесь, если сможете, что никогда раньше не слышали о глобальном потеплении. Притворитесь, что вы никогда не слышали чьего-либо мнения по этому вопросу, в том числе политиков, ученых, друзей или родственников. Притворитесь, что нет связанных забот, таких как экономика, наши потребности в энергии или окружающая среда.
Если бы вы собирались сделать настоящий запрос, вместо этого нужно было бы задать и ответить только на два вопроса:
- греется Земля или нет,
- и если да, то в чем основная причина?
Это вопрос, ответ на который был специально разработан для научного предприятия. Вот как мы можем понять это сами.
На самом деле есть только две вещи, которые определяют температуру Земли или температуру любого объекта, нагретого внешним источником. Во-первых, это энергия, входящая в него, которая в основном представляет собой энергию, производимую Солнцем и поглощаемую Землей. Во-вторых, это энергия, покидающая Землю, в первую очередь из-за того, что Земля ее излучает.
В течение дня мы поглощаем энергию Солнца; это мощность, вложенная в Землю. И днем, и ночью мы излучаем энергию обратно в космос; это мощность, излучаемая Землей. Вот почему днем температура повышается, а ночью снижается, что в значительной степени верно для каждой планеты, имеющей как дневную, так и ночную стороны.
Чтобы узнать, какой должна быть температура Земли, нам нужно сначала понять энергию, которая приходит в наш мир. Источником этой энергии является Солнце, которое излучает с очень хорошо измеренной мощностью: 3,846 × 10²⁶ ватт. Чем ближе вы к Солнцу, тем больше этой энергии вы поглощаете, а чем дальше вы находитесь, тем меньше вы поглощаете. За время, в течение которого мы измерили выходную мощность Солнца, она изменилась примерно на ±0,1%.
Солнечный свет распространяется по сфере, чем дальше вы от него находитесь, а это означает, что если вы находитесь в два раза дальше от Солнца, вы поглощаете только одну четверть излучения. На расстоянии Земли от Солнца мы сталкиваемся с мощностью около 1361 ватт на квадратный метр; вот сколько попадает в верхнюю часть нашей атмосферы.
Земля также вращается по эллипсу вокруг Солнца, а это означает, что в одних точках она находится ближе к Солнцу, поглощая больше излучения, а в других - дальше, поглощая меньше. Отклонение от этого эффекта больше похоже на ± 1,7%, при этом наибольшее количество поглощаемой энергии приходится на начало января, а наименьшее количество - на начало июля.
Но это еще не все. Солнечный свет, который падает на нас, бывает разных длин волн: ультрафиолетового, видимого и инфракрасного, и все они несут энергию. Атмосфера имеет много слоев, некоторые из которых поглощают этот свет, некоторые позволяют ему передаваться на землю, а некоторые отражают его обратно в космос.
В целом, около 77% энергии Солнца доходит до поверхности Земли, когда Солнце находится прямо над головой, и это число значительно снижается, когда Солнце находится ниже над горизонтом.
Часть этой энергии поглощается поверхностью Земли, а часть отражается. Облака отражают солнечный свет лучше, чем в среднем, как и сухой песок и ледяные шапки. Другие грунтовые условия лучше поглощают солнечный свет, включая океаны, леса, влажную почву и саванны. В зависимости от сезонных условий на Земле отдельные места на Земле сильно различаются по тому, сколько света они отражают или поглощают.
В среднем Земля очень постоянна: 31% падающего излучения отражается, а 69% поглощается. Что касается глобальных эффектов, то это среднее значение со временем изменилось на удивление мало, даже несмотря на то, что человеческая цивилизация изменила ландшафт нашей планеты.
Когда мы добавим все известные нам факторы:
- мощность Солнца,
- физический размер Земли и расстояние от Солнца,
- количество солнечного света, которое Земля поглощает по сравнению с отражением,
- и внутренняя изменчивость Солнца во времени,
мы можем найти способ рассчитать среднюю температуру Земли.
Результат?
Мы подсчитали, что Земля должна иметь температуру 255 Кельвинов (-18 °C / 0 °F) или значительно ниже точки замерзания. И это абсурд и совершенно не соответствует действительности.
Вместо этого наша планета имеет среднюю температуру 288 Кельвинов (15 °C / 59 °F), что намного теплее, чем наивные предсказания, которые мы только что тщательно рассчитали. Наш мир умеренный, не замерзший, и есть одна важная причина, по которой эти предсказания и наблюдения так сильно отличаются друг от друга: мы игнорировали изолирующие эффекты земной атмосферы.
Конечно, Земля излучает энергию, которую она поглощает, обратно в космос. Но не все сразу отправляется в космос; та же самая атмосфера, которая не была на 100% прозрачной для солнечного света, также не является на 100% прозрачной для инфракрасного света, излучаемого Землей. Атмосфера состоит из молекул, которые поглощают излучение с различной длиной волны, в зависимости от того, из чего состоит атмосфера.
Для инфракрасного излучения азот и кислород - большая часть нашей атмосферы - ведут себя так, как будто они практически прозрачны. Но есть три газа, входящие в состав нашей атмосферы, которые совсем не прозрачны для излучения, производимого Землей:
- водяной пар (H2O),
- диоксид углерода (CO2),
- и метан (CH4).
Все эти три газа, если они присутствуют в атмосфере любой планеты, действуют так же, как одеяло, накинутое на тело теплокровного животного: они препятствуют утечке тепла.
В случае с животным им нужно вырабатывать меньше собственного тепла, чтобы поддерживать постоянную температуру, когда на них есть одеяло. А если одеяло толще или больше тонких одеял, то их нужно генерировать еще меньше. Эта аналогия распространяется на слои одежды в любых условиях; чем больше изоляции вокруг вас, тем меньше тепла уходит, что позволяет вам поддерживать более высокую температуру.
Для такой планеты, как наша, эти газы предотвращают утечку инфракрасного излучения, а вместо этого поглощают его и повторно излучают обратно на Землю. Чем больше этих газов присутствует, тем дольше и эффективнее Земля удерживает солнечное тепло. Мы не можем изменить потребляемую энергию, поэтому вместо этого, когда мы добавляем дополнительное количество этих газов, температура нашего мира просто повышается.
Содержание водяного пара определяется океанами Земли, местной температурой, влажностью и точкой росы. Когда мы добавляем в атмосферу больше водяного пара или забираем из нее водяной пар, общее содержание водяного пара вообще не меняется. Что касается человеческой деятельности, ничто из того, что мы делаем, не влияет на чистое количество H2O в атмосфере.
Концентрации двух других газов (CO2 и CH4), однако, в первую очередь определяются влиянием человека. Хорошо задокументировано, например, что выброс CO2 вырос более чем на 50% по сравнению с уровнем 1700-х годов из-за сжигания ископаемого топлива, совпавшего с началом промышленной революции. По словам ученого НАСА Криса Колоуза:
50 % парникового эффекта 33 K обусловлено водяным паром, около 25 % - облаками, 20 % - CO2, а остальные 5 % - другими неконденсируемыми парниковыми газами, такими как озон, метан, закись азота и пр.
Все это приводит к очень прямому выводу: если мы увеличим концентрацию поглощающих инфракрасное излучение газов в нашей атмосфере, таких как CO2 и CH4, температура Земли повысится. Учитывая, что температурные данные недвусмысленно показывают, что Земля нагревается, и мы накрыли нашу атмосферу этими пресловутыми дополнительными одеялами, кажется, что это причинно-следственная связь в действии.
Конечно, невозможно доказать, что человеческая деятельность является причиной глобального потепления. Тот вывод, который мы сделали, все еще является научным выводом. Но, основываясь на том, что мы знаем о планетологии, атмосфере Земли, человеческой деятельности и потеплении, которое мы наблюдаем, это кажется очень хорошим. Когда мы количественно оцениваем другие эффекты, маловероятно, что причиной может быть что-то еще. Ни Солнце, ни вулканы, ни какие-либо известные нам природные явления.
Земля нагревается, и причиной этому являются люди. Следующие шаги - что с этим делать - на 100% зависят от нас.