Приложение 3. О климате, ледниковых периодах и обратных связях

Известно, что климат Земли менялся; похолодания и ледниковые периоды, когда льды доходили до 30${}^{\circ }$ северной и южной широты (примерно соответствует северу Африки, Калифорнии и т. д.), сменялись жаркими периодами, когда на Шпицбергене и севере Канады были субтропики. Геологическими методами эти колебания были изучены на глубину до 2 миллиардов лет назад. Существует очень много гипотез о причинах климатических колебаний, но, как и обычно, разнообразие гипотез свидетельствует о том, что вопрос остаётся нерешенным. Однако, одно из самых «естественных и очевидных» предположений — изменение солнечной активности, пришлось отбросить. В последние десятилетия особое внимание уделяется вопросу о положительных обратных связях, вызывающих «раскачивание» климата. Одним из ведущих учёных в этой области был М. И. Будыко [2.35; 2.36].

Положительная обратная связь заключается в том, что даже небольшое похолодание вызывает увеличение ледового и снежного покрова Арктических и Антарктических областей; это ведёт к увеличению среднего альбедо земной поверхности. Увеличивается часть солнечной энергии, отражающаяся в космос, и, соответственно уменьшается доля солнечной энергии, «усваиваемая» земной поверхностью. Поглощаемая поверхностью энергия, конечно, потом излучается в Космос, но уже в инфракрасной области; за счёт этого и обеспечивается «приятная» положительная температура на поверхности Земли. Увеличение альбедо и похолодание ведёт к дальнейшему увеличению ледового покрова… и т. д. При потеплении идёт обратный процесс, также с положительной обратной связью. Будыко рассчитал, что если оледенение дойдёт до некоторого критического предела (кажется, 20${}^{\circ }$ с. ш.), то процесс станет необратимым и наша Земля превратится в покрытый льдами шар, на котором жизнь будет невозможна, и это состояние будет уже устойчивым.

Но из теории динамических систем известно, что система с преобладанием положительных обратных связей не может быть устойчива; она обязательно и довольно быстро перейдёт в одно из крайних состояний, в котором и останется навсегда.

Безусловно, раз имеют место колебания, то наряду с положительными, должны действовать и мощные отрицательные обратные связи. Роль таких связей могут играть растения и углекислый газ. Здесь могут действовать, причём совместно, следующие факторы.

• Когда происходит похолодание, резко уменьшается фотосинтез. Всё меньше углекислоты перерабатывается растениями, и она начинает накапливаться в атмосфере.
• Углекислота поступает в атмосферу из двух источников: во-первых, продолжают действовать вулканы (их никто не «выключал»). Вулканы являются основным поставщиком углерода в атмосферу из глубин Земли (в виде $\text{CO}$ и $\text{CO}$2). Во-вторых, углерод, накапливаемый в биомассе растений, никуда не девается. При разложении отмирающих остатков он возвращается обратно (за исключением относительно небольшой части, которая через раковины моллюсков переходит в известковые породы и потом в мантию, и ещё меньшей части, которая превращается в горючие полезные ископаемые).

Приближенная оценка показывает, что содержание углерода в атмосфере (в настоящее время) и в биомассе организмов примерно одинаково — по $10^{12}$ тонн. Поэтому сокращение прироста биомассы и разложение организмов может почти удвоить содержание углекислоты в атмосфере. Но при этом из-за снижения жизнедеятельности будет почти перекрыт кран, через который углерод уходит в известковые породы, и вся углекислота, поставляемая вулканами, будет накапливаться в атмосфере. В итоге за несколько десятков миллионов лет Земля окутается тёплым одеялом, между прочим, прозрачным для солнечной радиации. Необходимо отметить, что в действии этого механизма отрицательной обратной связи существует большое запаздывание. Это может привести к значительным колебаниям, раскачиваниям даже под действием малых начальных причин. Имеет ли это практическое значение для людей? Вероятно, да, ибо всякое знание таит в себе возможность влияния на процессы.