Як людство змінило вуглецевий баланс атмосфери. Наслідки зміни клімату убивчі, але до кінця не зрозумілі

Авторитетне видання The Economist пояснює, наскільки значним є вплив людства на клімат Землі та наскільки різноманітними будуть наслідки для самого людства. Й не тільки для нього.

Лише один приклад. Уже зараз математично підтверджено: урагани сильнішають – як і передбачали моделі зміни клімату

Зрештою, все зводиться до хімії, зазначає The Economist. Двоокис вуглецю є формою неорганічного карбону – це проста молекула, яка хімічно є доволі сталою. Натомість викопні форми палива, такі як нафта, вугілля та природний газ – це часто складні органічні молекули, які мають велику хімічну активність. Спалення та переробка часто перетворює їх знову на прості речі: той-таки двоокис вуглецю, водяну пару – та енергію. Інакше кажучи, тепло.

З енергії, яку використовує людство, нині в світі 34% походить від спалення нафти, 27% – від вугілля, 24% – від природного газу. Атомна енергія, а також гідроелектростанції та інші відновлювані джерела – всі разом нині дають лише 15%.

Результат спалення викопних видів палива – нинішня промислова економіка людства. А для планети в цілому це щорічно 9.5 мільярдів тонн вуглецю, який з-під землі переходить в атмосферу.

Через наслідки для рослин, тварин і мікробів, які складають у сукупності біосферу, наслідки для клімату й океанів – цей промислових масштабів потік вуглецю, так би мовити, поєднує далеке геологічне минуле Землі з її майбутнім на тисячоліття вперед.

Це найбільш явне свідчення на користь тієї думки, що зараз людство має на планету настільки ж значний вплив, як і сили природи. Та що використання людством усієї цієї енергії відкрило нову геологічну епоху, яку частина науковців уже назвали "антропоцен".

Щоб усвідомити масштаби та важливість масового перетоку вуглецю з-під землі в атмосферу, треба розуміти вуглецевий цикл, у який його включено. Спершу контекст викличе, здавалося б, певне заспокоєння: майже всі мікроби та всі тварини отримують необхідну їм енергію, розкладаючи їжу, зроблену з органічних молекул. Ця внутрішня форма "спалення", окислення – дихання, також виробляє двоокис вуглецю. Як і промисловість.

Однак у природному вуглецевому циклі дихання має свою противагу – фотосинтез, за допомогою якого рослини, прості водорості та деякі бактерії використовують енергію сонця й перетворюють, навпаки, неорганічний вуглець на органічні молекули. Саме ці нові молекули – сирий матеріал, із якого, зрештою, складаються практично всі живі істоти на Землі. Сонячна енергія, накопичена всередині – це джерело всієї енергії, яка потім повертається та вивільняється через окислення – дихання після того, як ці живі істоти були спожиті іншими живими істотами. В тому числі нами, людьми.

Так само збалансовано й інший великий цикл перетоку двоокису вуглецю в атмосферу. Вуглекислий газ, розчинений у великій масі морської води, природним чином переходить у повітря над нею. А вуглекислий газ в атмосфері розчиняється, переходячи у морську воду. Самі по собі ці два потоки балансують один одного, як показано на діаграмі. Ось про що на ній ідеться:

Люди розбалансували вуглецевий тиск: чи зможуть вони його полагодити?

Загальна кількість і щорічні потоки вуглецю – в гігатоннах вуглецю.

Верхній малюнок: доіндустріальне минуле

Ліворуч – біосфера, по центру – атмосфера, праворуч – океан. Внизу – геосфера.

Середній малюнок: ранній антропоцен, сучасність. 325 гігатонн вуглецю взято з геосфери, 240 із того опинилося в атмосфері. Видно, як відповідно збільшився обмін між атмосферою й океанами та біосферою.

Нижній малюнок: пізній антропоцен, бажане "майже нульове" майбутнє. Зокрема, засоби "негативних викидів" (тобто, поглинання вуглецю завдяки людській діяльності): 1. збільшене вивітрювання (зв'язування вуглецю в мінералах). 2. відтворення лісів. 3. покращення ґрунту. 4. BECCS (див.нижче). 5. DAC (див. у тексті нижче) – усі цифри невідомі.

На середньому малюнку (ранній антропоцен, сучасність) темно-синім показано додаткові 240 гігатонн вуглецю, які ми вийняли з геосфери й випустили в атмосферу. Добре видно масштаб

Всі ці потоки, без людей, створюють те, що називається динамічною рівновагою. Її порушення "тягне" всю систему в протилежний бік – до відновлення балансу. Якщо рівень двоокису вуглецю в атмосфері зростає, то зросте й швидкість поглинання океанами та рослинами. Це зменшує надлишок, відтворюючи статус кво.

Навіть зараз це працює: через наші викиди зріс фотосинтез, і це сповільнює зміну клімату. Планета рятується, наскільки може

Аж до 19 століття ось ця динамічна рівновага витримувала рівень двоокису вуглецю в атмосфері практично на одному рівні з часів останнього льодовикового періоду, який закінчився десять тисяч років тому.

Втім, гілка циклу, що складається з рослин та їжі, недосконала. Це як шматочок у кутику банки сардин, який неможливо дістати: не вся органічна речовина, накопичена шляхом фотосинтезу, потім використовується у вигляді енергії створіннями, що дихають. Цей "шматочок у кутку банки" залишається у вигляді осадів у ґрунті та під ним.

Кількість вуглецю, який тікає з біосфери у такий спосіб, невеличкий порівняно зі щорічним потоком, що постійно циркулює й повертається в атмосферу. Проте цей витік тривав дуже довго – й це дозволило земній корі накопичити велику кількість органічної матерії. А тепер промисловість людства використовує найбільш концентровану частину цих покладів – і за кілька століть повернула у вуглецевий цикл Землі значну частину того, що накопичувалося сотні мільйонів років.

Й саме це нове, додаткове джерело вуглецю в атмосфері спотворило вуглецевий цикл планети.

Вкотре: чому математично неможливо заперечувати саме людські чинники в глобальних змінах клімату (ГРАФІКИ, ВІДЕО)

Моря та рослини намагалися, як могли, зберегти рівновагу: зростання кількості вуглекислого газу в атмосфері спричинило збільшення його поглинання біосферою й океанами. Вони й досі "всмоктують" приблизно половину надлишку двоокису вуглецю, який промисловість викидає в атмосферу. Роблять усе, що можуть. Але більше таки не можуть. І тому кількість вуглецю в атмосфері зростає.

Ця інтенсифікація вуглецевого циклу має побічні ефекти. Рослини краще ростуть – якщо дозволяють обставини. За нинішніми оцінками, рівень фотосинтезу на планеті на 3-7% вищий, ніж був 30 років тому. Супутникові знімки показують, що Земля зеленішає. Таке "вуглекисле добриво" покращило врожаї деяких сільськогосподарських культур, а також ріст деяких лісів та інших екосистем. Цього недостатньо для компенсації шкоди, яку створюють зміни клімату через зростання температур і зміну циклу дощів. Але якщо взяти все сукупності – здається, що проблема не така вже й велика.

А от про збільшення кількості двоокису вуглецю в океані цього не скажеш. Більше розчиненого двоокису вуглецю в воді означає більшу її кислотність. Наскільки поганим це окислення води виявиться – можна дискутувати. Проте процеси вочевидь змінять деякі екосистеми, включно з рифами, які вже перебувають у стані напруги через збільшення температур. Навіть якби викопне паливо не нагрівало планету – окислення океану саме по собі є зміною планетарного масштабу, яка лякає.

Зростання двох поглиначів вуглецю також не є стійким саме по собі. По-перше, тепла вода поглинає менше вуглецевого газу, ніж холодна (згадайте "газовану воду" з холодильника та на сонці). Тож із паралельним нагріванням океанів, їхня здатність балансувати наші викиди послаблюється. Що стосується поглинання на суходолі – то збільшення температур посилює дихання мікробів, особливо у ґрунтах, значно послідовніше за зростання швидкості фотосинтезу.

Паризька угода 2015 року ставить за ідеальну мету припинити зростання рівня двоокису вуглецю в атмосфері через спалення викопних палив до середини цього століття. Втім, навіть якщо завалити цей дедлайн, усе одно зрештою або катастрофа, або виснаження ресурсів, або політичні рішення – чи якесь поєднання цих трьох чинників – припинять це зростання. Питання лише, коли. Однак тоді, коли потік додаткового вуглецю з-під землі в атмосферу припиниться, океани та біосфера відновлять рівновагу.

Проте відновлена таким чином рівновага буде іншою, ніж у допромислову добу. Рівень двоокису вуглецю встановиться недалеко від пікового рівня 21 століття, яким би він не виявився. Що означає: температури також встановляться високо – з усім, що з цього випливає для врожаїв, для льодовиків і так далі.

Зрештою, плато потроху спадатиме. Ерозія виводить на поверхню силікати, які зв'язують двоокис вуглецю, зрештою утворюючи тверді мінерали, з яких вуглець уже так легко, як з вугілля чи нафти, не вивільниться. Проте це "хімічне вивітрювання" працює значно повільніше за океанічне та біосферне поглинання. За оцінками геохіміків – тисяча років знадобиться лише для того, щоб рівень вуглецевого газу, який настане після завершення доби викопних палив, повернувся до рівня середини 20 століття.

Проблематичний рух у зворотному напрямку

Але що, якби антропоцен перейшов від раннього антропоцену, де домінують джерела вуглецю, до пізнішого антропоцену зі створеним людиною поглинанням вуглецю? Є дві причини, чому це може виявитися привабливим. Перша: деякі з видів викидів, можливо, дуже важко усунути. Якщо їх збалансувати "негативними викидами", тобто поглинанням вуглецю, то паризьких цілей – припинити подальше зростання рівня двоокису вуглецю в атмосфері – можна досягти значно легше.

Друга перевага такої ідеї випливає з іще однієї мети Паризької угоди: спробувати утримати глобальне збільшення температури порівняно з доіндустріальною добою меншим за 2°C. Просто зменшити для цього викиди вимагатиме значно більших обмежень, ніж ми поки що бачили, на багато десятиліть поспіль. Однак, якби людство розробило технології "негативних викидів", тобто поглинання вуглецю – це дозволило б зробити скорочення викидів значно "ніжнішими" та плавнішими.

Є форми "негативних викидів", які виглядають доволі добре: вирощування сільськогосподарських рослин; відтворення лісів та висаджування нових. Більш амбітна, але наразі примарна ідея – "запрягти" у промисловість фотосинтез. Вирощувати рослини для спалення (дрова, по суті, але в промисловому масштабі) й отримання електроенергії – при цьому хімічно зв'язуючи двоокис вуглецю та накопичуючи його під землею. Цей підхід має назву "біоенергетика з уловлюванням та зберіганням вуглецю", BECCS. Далі, є ідея виловлювання двоокису вуглецю з атмосфери за допомогою хімічної інженерії, "пряме уловлення з повітря" – DAC. Також можна допомогти згаданому вище процесу хімічного вивітрювання, перемелюючи звичайні силікатні камені, котрі становлять 90% земної кори, у дрібний пил, цим збільшуючи їхню поверхню та прискорюючи реакції, що зв'язують вуглець у стабільних карбонатах.

Але, як ви вже здогадалися, з усіма цими ідеями є проблеми. По-перше, має значення масштаб, у якому їх слід здійснити. Уявіть собі, що до 2060 року світ за допомогою неймовірних зусиль відмовився від використання 90% викопних копалин порівняно з сьогоднішнім рівнем. Аби збалансувати решту 10%, усе ще необхідно поглинати близько мільярда тонн вуглецю на рік. Системи поглинання вуглецю, про які йде мова нині, ледь спроможні поглинути бодай одну тисячну частку цієї кількості. Забезпечення ж необхідного поглинання шляхом фотосинтезу вимагатиме додаткового насадження лісу, наприклад, на площі завбільшки як чотири України.

Що призводить до іншої проблеми. Уявні наслідки небезпечні. Якщо уряди почнуть думати про "негативні викиди", тобто поглинання, як частину рішення – то неминуче вповільнять скорочення викидів: мовляв, пізніше можна буде "прибрати". Водночас, не факт, що хтось візьметься за велетенські проєкти, необхідні, аби реалізувати це на практиці. Той факт, що людство доби антропоцену спричиняє процеси геологічного масштабу на планеті, не означає, що ми можемо отак просто взяти та змінити ці процеси – тим паче, просто фантазуючи.

Шкода від кліматичних змін буде масштабна, різноманітна й часом несподівана

21 листопада 2016 в австралійському штаті Вікторія пройшла ціла хвиля гроз – до кінця наступного дня в лікарні опинилися три тисячі людей. Зазвичай урагани шкодять людям, руйнуючи будинки й затоплюючи вулиці. В цьому випадку люди опинились у лікарнях через астму. Потужний потік поніс холодне повітря, переповнене пилком рослин, пилом і піском. Десятеро людей померли.

Більшість проблем людства через погоду та клімат пов'язані з погодними та кліматичними крайнощами.

Коли середні значення змінюються "трішки" – це означає, що крайні значення змінюються зовсім не "трішки". Нинішні рідкісно екстремальні випадки стають завтрашніми регулярними лихами. А завтрашні крайнощі можуть виявитися чимось цілком новим:

Чим червоніше на карті – тим менш придатним для людей стане клімат

Деякі регіони (найчервоніші на карті) можуть виявитися просто непридатними для "нормального" життя людини.

Кількісні зміни можуть вилитись у зміни якісні, часом непередбачувані – як-от, якщо говорити про короткострокові події, потік насиченого пилком повітря, яке приходить за лічені хвилини та вбиває найслабших. Якщо говорити про довгострокові – згадаймо хоча б підняття рівня океанів.

Фоторепортаж: на додачу до COVID-19, по Індії та Бангладеш ударив рекордний ураган

Тропічні циклони формуються лише при температурі поверхні води понад 27°C. Поверхня, над якою це можливо, однозначно зростає. Це саме по собі не означає більшої кількості ураганів – скажімо, в Атлантиці їх, згідно з моделями, може стати менше.

Проте зростання температури означає, що ті тропічні циклони, які таки утворяться, будуть сильнішими. Власне, це вже стається й доведено.

Крім того, до 2070 років багато ділянок опиняться в кліматичних зонах, які за нинішніми мірками є "нежилими". Можливо, люди пристосуються до нових умов – але, очевидно, ці умови будуть не надто комфортними, якщо історично люди в подібних місцях просто не селилися.

Економетричні дослідження показують, що загалом вища й екстремальна температура пов'язана з меншою продуктивністю людей – та з більшою кількістю насильства.

Але то якийсь там 2070 рік. А в короткостроковій перспективі? В короткостроковій перспективі – більша ймовірність отих тижневих і двотижневих хвиль спеки, які всі ми вже добре знаємо. І це не просто "дратує". Під час хвилі спеки, що тривала 3-16 серпня 2003 року, в Євросоюзі було статистично на 39 тисяч смертей більше, ніж в інші роки в той-таки час. Те літо було, за деякими оцінками, найгарячішим за останні 500 років.

Весна та врожай. Відомі й невідомі

Як змістився клімат у Києві: колись березень був "зимовим" місяцем (ІНФОГРАФІКА)

Сухі весни та холодні літа також прямо й непрямо – через в'янення та брак води – зашкодять багатьом секторам сільського господарства. Тепліші зими – це ще й більший шанс виживання для шкідників.

Коли незвично сухі умови висмоктують вологу з землі – це означає не тільки пилові бурі, але й пожежі лісів. Причому, вони стають характерними не тільки для Австралії та інших сухих регіонів, але й там, де раніше характерними не були.

Ну і, звісно, танення льодовиків і підняття морів. Нині рівень океану піднімається на 1 сантиметр кожні три роки, й ця швидкість постійно зростає. У зоні узбережжя це означатиме дедалі частіші та сильніші затоплення. Особливо коли воду штовхатимуть усередину суходолу дедалі сильніші урагани, про які мовлено раніше.

Шанхай, Мумбаї й не тільки. Через кліматичні зміни до 2050 року затопить значно більше міст, ніж думали раніше, – New York Times (КАРТИ)

Але "найбільша невідома" – це стабільність великих масивів криги. Багато науковців говорять про "точку неповернення", після якої великі льодовики приречені будуть (або вже є) повільно розтанути повністю. Де саме ця точка неповернення – неясно. Можливо, її вже пройдено.

Велика ймовірність посух і неврожаїв. Зміни в регіональному кліматі, які спричинять нестабільність економік у цілих країнах. Сильніші, більш руйнівні шторми. Морська вода, що проникає у прісну. Навіть те, що вже відомо про впливи кліматичних змін – цілком достатнє, щоб викликати "глибоке занепокоєння". Додають причин для нього й "відомі невідомі", такі як точка неповернення для льодовиків. Бо є й інші: можливі зміни течій, що призведуть до подальших і непередбачуваних змін. Або розширення пустель. Ну і, щоб заповнити прогалини між усіма цими лихами та негараздами – ще й "невідомі невідомі", такі як раптовий шторм, який убиває пилком рослин.

клімат майбутнє наука