Как мир преодолел углеродный порог и почему это важно

В прошлом году впервые за несколько миллионов лет концентрация CO2 в атмосфере превысила 400 частей на миллион. Глядя на то, каким был климат Земли в предыдущие эпохи высокого уровня CO2, ученые получают отрезвляющую картину того, куда мы движемся.

Прошлый год войдет в историю как год, когда атмосфера планеты побила поразительный рекорд: 400 частей на миллион углекислого газа. В последний раз воздух планеты был настолько богат CO2 миллионы лет назад, еще до того, как ранние предшественники людей, вероятно, владели каменными орудиями труда; тогда мир был на несколько градусов жарче, а таяние льда подняло уровень моря на десятки метров выше.

«Мы живем в новую эру, — говорит Ральф Килинг, директор программы CO2 Океанографического института Скриппса в Сан-Диего. «И это происходит быстро. Мы собираемся сразиться с 410 довольно скоро».

В числе 400 нет ничего особенно волшебного. Но для ученых-экологов и защитников окружающей среды, борющихся с невидимой, неосязаемой угрозой повышения уровня углекислого газа в атмосфере, эта символическая цель послужила четкой красной линией в опасную зону изменения климата.

Когда ученые (в частности, отец Ральфа Килинга) впервые начали последовательно измерять атмосферный CO2 в 1958 году в нетронутой обсерватории на вершине горы Мауна-Лоа на Гавайях, уровень CO2 составлял 316 частей на миллион (частей на миллион), что лишь немного выше доиндустриального уровня. уровень 280 частей на миллион. 400 было просто следующим большим круглым числом, маячащим в нашем будущем.

Но по мере того, как люди продолжали выкапывать углерод из земли и сжигать его в качестве топлива, уровни CO2 все быстрее и быстрее приближались к этой цели.В мае 2013 года, во время обычного годового максимума CO2, воздух ненадолго превысил отметку в 400 частей на миллион впервые за несколько миллионов лет. В 2014 году он оставался выше 400 ppm весь апрель. К 2015 году среднегодовое значение превысило 400 частей на миллион. А в сентябре 2016 года обычный годовой минимум впервые превысил 400 частей на миллион, удерживая концентрацию в воздухе выше этой символической красной линии в течение всего года.

Глобальные температуры повышались параллельно, причем 2016 год стал самым жарким годом с момента начала регистрации в 1880 году: в 2016 году было около 1,1 градуса по Цельсию (2°F) теплее, чем доиндустриальные уровни. Парижское соглашение 2015 года, последнее международное соглашение по климату, направлено на то, чтобы удержать повышение глобальной температуры значительно ниже 2 градусов по Цельсию и, как мы надеемся, ограничить его до 1,5 градусов.

При нынешних темпах роста CO2 его уровень достигнет 500 частей на миллион в течение 50 лет, что позволит нам достичь повышения температуры, возможно, более чем на 3 градуса по Цельсию (5,4°F) — уровень, который, по словам ученых-климатологов, вызовет приступы экстремальной погоды и повышения уровня моря, что поставит под угрозу глобальные запасы продовольствия, вызовет разрушительные массовые миграции и даже уничтожит тропические леса Амазонки из-за засухи и пожаров.

Каждое знаменательное событие давало ученым и экологам повод вновь заявить о своих опасениях по поводу того, что люди делают с климатом. «Достижение 400 частей на миллион — это яркое напоминание о том, что мир все еще не находится на пути к ограничению выбросов CO2 и, следовательно, воздействия на климат», — сказала Аннмари Элдеринг, заместитель научного сотрудника проекта спутниковой миссии НАСА «Орбитальная углеродная обсерватория-2» в Лаборатории реактивного движения. «Прохождение этой отметки должно мотивировать нас выступать за целенаправленные усилия по сокращению выбросов по всему миру.

СОВРЕМЕННЫЕ МЕРЫ

Еще в 1950-х годах ученый Чарльз Дэвид Килинг (отец Ральфа Килинга) выбрал место вулкана Мауна-Лоа для измерения CO2, потому что это хорошее место, чтобы увидеть большие атмосферные средние значения.Поднявшись на высоту 3400 метров (11 155 футов) посреди океана, Мауна-Лоа пробует воздушную массу, которая уже была хорошо перемешана с входами и выходами CO2 глубоко внизу и далеко. И это место, будучи вулканом, окружено многими милями голой лавы, что помогает устранить колебания в измерениях из-за «дыхания» близлежащих растений.

Начало усилий Килинга было своевременным: 1950-е годы были также временем, когда антропогенные выбросы действительно начали расти, увеличившись с примерно 5 миллиардов тонн CO2 в год в 1950 году до более чем 35 миллиардов тонн в год сегодня. Естественные источники CO2, от лесных пожаров до дыхания и разложения почвы и растений, намного больше — примерно в 30 раз больше, чем то, что человечество производит каждый год. Но естественные поглотители, такие как рост растений и океаны, имеют тенденцию впитывать это. Избыток, вызванный жаждой человечества энергии, заставляет концентрацию СО2 в воздухе постоянно расти. Оказавшись в воздухе, этот газ может оставаться там тысячелетиями.

Так называемая кривая Килинга, отображающая этот подъем, имеет ежегодные колебания, потому что вся планета вдыхает и выдыхает, как гигантское живое существо. В Северном полушарии (где базируется обсерватория Мауна-Лоа, а также где находится большая часть суши планеты и наземных растений) воздух весной наполнен СО2, выделяемым почвенными микробами при таянии снега, а к осени СО2 был поглощен взрывом летней растительности; следовательно, годовой максимум в мае и минимум в сентябре.

В то время как Мауна-Лоа стала мировым стандартом для уровней CO2, измерения, проведенные в других местах, подтвердили результаты Мауна-Лоа. Сеть морских надводных станций NOAA и даже станция мониторинга в отдаленной нетронутой Антарктике преодолели барьер в 400 ppm в 2016 году. Орбитальная углеродная обсерватория НАСА-2 показывает, что планета колеблется около 400 ppm, с вариациями от одного места к другому. в основном за счет атмосферной циркуляции.

ДАЛЬНИЙ ВЗГЛЯД

По большому счету, 400 частей на миллион — это концентрация CO2 от низкой до средней для планеты Земля.

Около 500 миллионов лет назад, когда количество живых существ в океанах резко возросло, а существа впервые ступили на сушу, древняя атмосфера оказалась богатой примерно 7000 частей на миллион углекислого газа. Тогда Земля была совсем другой: Солнце было холоднее, наша планета находилась в другой фазе своих орбитальных циклов, а континенты были сгруппированы по-разному, менялись океанские течения и количество льда на суше. На планете было, возможно, целых 10 градусов по Цельсию (18°F) теплее, чем сегодня, что может показаться неожиданно прохладным для такого уровня парниковых газов; с таким количеством факторов связь между CO2 и температурой не всегда легко увидеть. Но исследователи подтвердили, что CO2 действительно был основным двигателем термостата планеты за последние 500 миллионов лет: например, когда в атмосфере было мало CO2, формировались большие континентальные ледяные щиты и падал уровень моря.

Благодаря сотрясающим землю медленно движущимся силам, таким как тектоника плит, горообразование и выветривание горных пород, которые поглощают СО2, концентрация СО2 в атмосфере обычно снижалась примерно на 13 частей на миллион за миллион лет с несколькими значительными колебаниями. Например, по мере того, как крупные растения развивались и становились обычным явлением около 350 миллионов лет назад, их корни уходили в землю и ускоряли процессы выветривания, которые улавливали атмосферный углерод в таких горных породах, как известняк. Это могло спровоцировать резкое падение уровня CO2 и оледенение 300 миллионов лет назад. В конечном итоге за этим последовал период массивной вулканической активности, когда суперконтинент разорвался на части, извергнув достаточно CO2, чтобы более чем удвоить его концентрацию в воздухе.

В последний раз концентрация CO2 в атмосфере планеты составляла от 300 до 400 частей на миллион в середине плиоцена, 3 миллиона лет назад — достаточно недавно, чтобы планета не сильно отличалась от сегодняшней. В то время температура была от 2 до 3 градусов по Цельсию (от 3,6 до 5,4).°F) выше доиндустриальных температур (хотя в Арктике жарче более чем на 10 градусов по Цельсию), а уровень моря был как минимум на 15-25 метров выше. Леса росли на севере Канады, а пастбища были в изобилии по всему миру; Сахара, вероятно, была покрыта растительностью. Человек умелый (он же «умелец»), первый вид в гомо линия и, вероятно, первые пользователи каменных орудий, почувствовали вкус этого климата, когда они появились на сцене 2,8 миллиона лет назад. (Хомо сапиенс появились не ранее 400 000 лет назад.)

Чтобы найти время, когда концентрация воздуха на планете постоянно превышала 400 частей на миллион, вам нужно заглянуть намного дальше в теплую часть миоцена, около 16 миллионов лет назад, или в ранний олигоцен, около 25 миллионов лет назад, когда Земля была очень другое место и его климат, совершенно не похожий на то, что мы могли бы ожидать сегодня.

Существует много споров как о температуре, так и об уровне CO2 миллионы лет назад. Но доказательства гораздо более убедительны для последних 800 000 лет, когда ледяные керны показывают, что концентрация CO2 оставалась в пределах от 180 до 290 частей на миллион, колеблясь на уровне около 280 частей на миллион в течение примерно 10 000 лет до того, как грянула промышленная революция. (За последние 800 000 лет было восемь ледниковых циклов, в основном вызванных колебаниями орбиты Земли, которые происходят в масштабах времени 41 000 и 100 000 лет). Это точка отсчета, по которой ученые обычно отмечают беспрецедентный современный рост CO2.

Пугает то, что этот современный рост CO2 также ускоряется с необычайной скоростью. В конце 1950-х ежегодные темпы роста составляли около 0,7 промилле в год; с 2005 по 2014 год он составлял около 2,1 промилле в год.

Палеозаписи намекают на то, что изменение концентрации CO2 в атмосфере обычно занимает гораздо больше времени; Хотя исследователи не могут увидеть, что произошло в отдаленном прошлом, в такие короткие временные рамки, как десятилетия, самые быстрые всплески, которые они могут наблюдать, были на порядок медленнее, чем то, что происходит сегодня.Как правило, они были связаны с серьезным стрессом, например массовым вымиранием, отмечает Дана Ройер, климатолог из Уэслианского университета. Например, во время вымирания в конце триаса 200 миллионов лет назад значения CO2 подскочили примерно с 1300 ppm до 3500 ppm благодаря массовым извержениям вулканов на территории, которая сейчас является центральной Атлантикой. На это ушло от 1000 до 20 000 лет. Сегодня мы могли бы изменить нашу атмосферу на тысячи частей на миллион всего за пару сотен лет. В записях о ледяных кернах нет ничего подобного, говорит Килинг.

СЦЕНАРИИ БУДУЩЕГО

Хотя на данный момент 400 кажется большим и пугающим числом, концентрация CO2 может легко превысить 500 частей на миллион в ближайшие десятилетия и даже достичь 2000 к 2250 году, если выбросы CO2 не будут взяты под контроль.

Прогнозировать будущие уровни CO2 в атмосфере сложно; даже если мы знаем, что произойдет с антропогенными выбросами, что зависит от международной политики и технологических разработок, планетарная сеть естественных источников и поглотителей обширна и взаимосвязана. Некоторые растения растут быстрее в мире, богатом углеродом; вырубка лесов исключает некоторые растения из уравнения; океан хранит различное количество в зависимости от его температуры и циркуляции.

Если вы полностью проигнорируете вопросы о том, что может сделать общество, чтобы обуздать выбросы, и что может сделать планета, чтобы поглотить их, и просто посмотрите чисто математически на то, куда движется кривая Килинга, уровни превысят 500 частей на миллион примерно к 2050 году.

В самом последнем отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) от 2013 г. сделана более реалистичная оценка того, что может произойти, и каким будет температурный результат.

В самом пессимистичном сценарии МГЭИК, когда население быстро растет, технологии стагнируют, а выбросы продолжают расти, примерно к 2250 году атмосфера достигает поразительных 2000 частей на миллион.(Все сценарии МГЭИК предполагают, что воздействие человечества на атмосферу сходит на нет к 2300 году.) Это дает нам атмосферу, которую последний раз видели в юрском периоде, когда бродили динозавры, и вызывает апокалиптическое повышение температуры, возможно, на 9 градусов по Цельсию (16 градусов по Цельсию).°Ф).

В следующем наиболее пессимистичном сценарии выбросы достигают пика примерно в 2080 году, а затем снижаются, что приводит к концентрации в атмосфере около 700 частей на миллион и вероятному повышению температуры более чем на 3 градуса по Цельсию.

В самом оптимистичном сценарии, когда выбросы достигают пика сейчас (2010-2020 гг.) и начинают снижаться, когда люди фактически высасывают из воздуха больше углерода, чем производят к 2070 г., атмосфера снова опускается ниже 400 частей на миллион где-то между 2100 и 2200 гг. повышение температуры удерживается в пределах 1 градуса по Цельсию в долгосрочной перспективе.

ЗАМЕДЛЕНИЕ

Если завтра антропогенные выбросы волшебным образом упадут до нуля, концентрация СО2 в атмосфере начнет выравниваться немедленно — но, вероятно, потребуется около десяти лет, чтобы обнаружить это замедление на фоне естественного углеродного цикла, согласно Килинг.

Даже при нулевых выбросах возвращение к доиндустриальному уровню в 280 частей на миллион — это «что-то вроде предложения на 10 000 лет», — говорит Килинг. Атмосферные концентрации поначалу будут падать относительно быстро, так как поверхность океана поглотит значительную часть избыточного углерода из воздуха (на это уйдет порядка 100 лет); затем некоторое количество атмосферного углерода проникнет в более глубокие слои океана (примерно через 1000 лет); тогда углеродный цикл планеты — например, выветривание горных пород — поглотит большую часть остального примерно за 10 000 лет.

Отрадно видеть, что с 2014 года общие выбросы практически не изменились, несмотря на продолжающийся рост мировой экономики, в основном благодаря сокращению сжигания угля в Китае. Но устойчивые выбросы далеки от сокращения выбросов, нулевых выбросов или даже «отрицательных выбросов» (когда человечество использует технологии, чтобы поглощать больше, чем мы выделяем).

По оценкам некоммерческого Global Carbon Project, текущая траектория выбросов на планете соответствует национальным обязательствам, принятым в рамках Парижского соглашения до 2030 года, но не соответствует долгосрочной цели стабилизации климатической системы ниже 2 градусов Цельсия выше доиндустриального уровня. Так что это ставит нас где-то в средней зоне прогнозов МГЭИК; сейчас трудно сказать, по какому долгосрочному пути мы идем, хотя самый оптимистичный сценарий — когда выбросы начнут значительно сокращаться в ближайшие несколько лет — возможно, недостижим.

«Если человечество желает сохранить планету, подобную той, на которой развивалась цивилизация и к которой приспособлена жизнь на Земле… CO2 необходимо будет сократить… не более чем до 350 частей на миллион», — сказал климатический гуру Колумбийского университета Джеймс Хансен. Мы преодолели эту цель примерно в 1990 году, и потребуются колоссальные усилия, чтобы повернуть время вспять.

Никола Джонс независимый журналист из Пембертона, Британская Колумбия, недалеко от Ванкувера. Имея опыт работы в области химии и океанографии, она пишет о физических науках, чаще всего для журнала Природа. Она также внесла свой вклад в Научный американец, Глобус и почта, а также Новый ученый и работает научным журналистом в Университете Британской Колумбии. Подробнее о Николе Джонс →