Попробуем спокойно разобраться, насколько обоснованны эти обвинения. CO2 обладает свойством поглощать часть инфракрасного излучения. Причём задерживает он не только излучение, идущее от Земли, но и излучение, идущее от Солнца. Но т.к. CO2 концентрируется в нижних слоях атмосферы, задержка солнечных лучей не приводит к охлаждению воздуха вблизи земли, а поглощение земного излучения нагревает нижние слои атмосферы. Так что CO2 виноват не в том, что задерживает инфракрасное излучение, а в том, что слишком тяжёлый и не может подняться наверх (водяной пар ещё сильнее поглощает тепловое излучение – и никаких претензий!). Вина углекислого газа в повышении температуры воздуха несомненна, но насколько она велика?
Все газы отличаются селективным (избирательным) излучением и поглощением: они поглощают излучение только в определенных интервалах длин волн, для волн, не входящих в эти интервалы, газ является прозрачным. CO2 имеет только три заметные полосы поглощения: в интервалах длин волн от 2,4 до 3,0 мк, от 4,0 до 4,8 мк и от 12,5 до 16,5 мк. (Всё инфракрасное излучение находится в диапазоне от 0,8 до 800 мк.) Но и в этих узких полосах поглощения даже максимальные значения коэффициентов поглощения меньше единицы.
Борцы с углекислым газом утверждают, что, по данным исследования полярных льдов, содержание CO2 в атмосфере за последние 150 лет увеличилось на 30%. Иными словами, концентрация CO2 увеличилась с 0,03% до нынешних 0,04%, т.е. на 0,01%. Представляется крайне сомнительным, что эти несчастные 0,01% концентрации CO2, поглощающего тепло в узких диапазонах, способны поглотить более 1% всего излучения Земли (как мы выяснили выше, это необходимо для того, чтобы повышенная на 0,7°C, по сравнению с началом прошлого века, температура планеты не снижалась). Попробуем проверить наши сомнения оценочными расчётами.
Земля обладает сплошным спектром излучения. Тем не менее предположим, что максимум её излучения приходится на диапазон длин волн от 2,4 до 16,5 мк, в котором расположены полосы поглощения CO2, а излучение в этом диапазоне составляет половину всего излучения Земли.
Полосы поглощения CO2 составляют менее 0,4 этого диапазона. Примем средний коэффициент поглощения CO2 равным 0,5.
В том же диапазоне от 2,4 до 16,5 мк поглощает тепло и водяной пар, причем полосы поглощения H2O в основном перекрывают полосы поглощения CO2. Учитывая, что концентрация водяных паров в атмосфере примерно на порядок больше концентрации CO2, логично предположить, что в полосах поглощения CO2 основную часть излучения поглощает водяной пар. Допустим всё же, что на долю CO2 остается 0,2 излучения.
Углекислый газ не только поглощает земное излучение, но и сам излучает тепло на Землю. Разница между отданным и полученным тепловыми потоками называется результирующим тепловым потоком. Результирующий тепловой поток пропорционален разности четвертых степеней абсолютных температур (излучение газов несколько отклоняется от закона Стефана-Больцмана, но для упрощения рассуждений эти отклонения не будем учитывать).
Предположим, что средняя температура CO2 в атмосфере на 15°C ниже температуры поверхности Земли. Тогда в соответствующем диапазоне длин волн поглощённое CO2 и H2O тепло составит 0,2 земного излучения.
Все наши расчёты нужно отнести к относительному приросту за сто лет содержания CO2 в атмосфере, равному 0,3. После перемножения коэффициентов получим относительную величину уменьшения излучения Земли в космос за счет 30% увеличения содержания CO2 в атмосфере:
0,5x0,4x0,5x0,2x0,2x0,3 = 0,0012.
Как мы видим, эта величина на порядок меньше требуемого 1%, т.е. 30%-й прирост содержания CO2 в атмосфере не способен обеспечить даже сохранение повышенной на 0,7°C температуры Земли.
Интересно, а что произойдёт с температурой Земли, если содержание CO2 в атмосфере увеличится не на 30%, а, скажем, в 100 раз? Увеличение концентрации CO2 приведёт к увеличению оптической толщины среды, но в наших рассуждениях мы эту величину, чтобы не загромождать изложение большим количеством формул, не учитывали, приняв соответствующий коэффициент равным единице. Увеличение содержания CO2 в 100 раз приведёт к тому, что концентрация CO2 превысит концентрацию H2O в 10 раз. Тогда коэффициент, учитывающий долю CO2 в суммарном поглощении CO2 и H2O, увеличится с 0,2 до 0,9. В вышеприведённом расчёте мы оценивали влияние повышения содержания CO2 на 30%, а сейчас оценим влияние всего объёма CO2, поэтому коэффициент 0,3 увеличится до 1. Остальные коэффициенты останутся без изменения. После коррекции коэффициентов получим относительную величину уменьшения излучения Земли в случае увеличения концентрации CO2 в 100 раз:
0,5x0,4x0,5x0.9x0,2 = 0,018. При таком уменьшении земного излучения температура планеты сможет увеличиться не более, чем на 1,2°C.
Наши выкладки ясно показывают, что углекислый газ необходимо срочно реабилитировать: он не только неповинен в приписываемых ему «преступлениях», но и не смог бы их совершить даже при всем своём «желании».
Промышленные выбросы углекислого газа
Ежегодно человечество сжигает примерно 12 млрд. тонн условного топлива. Зная, что теплотворная способность условного топлива составляет 7000 ккал/кг, а углерода 7830 ккал/кг, и приняв, что энергия топлива в среднем обеспечивается на 0,9 углеродом и на 0,1 – водородом, вычислим массу углерода, ежегодно выбрасываемого в атмосферу промышленностью:
12x109x0,9x7000/7830 = 9,7 млрд. тонн.
Согласно Википедии, в атмосфере Земли постоянно находится 500 млрд. тонн углерода, т.е. суммарные промышленные выбросы углерода за год составляют менее двух процентов от его содержания в атмосфере. Кроме промышленных предприятий углерод в атмосферу поставляют также вулканы и животные, в том числе люди.
Попробуем оценить вклад людей в снабжение атмосферы углеродом. Выше мы определили, что человечество потребляет ежегодно на питание 5·1015 ккал. Такая энергия может быть получена при сжигании 0,64 млрд. тонн углерода. После его «сжигания» в человеческом организме углерод в составе углекислого газа выдыхается в атмосферу. По нашей оценке, животный мир в целом потребляет на питание, как минимум, в 10 раз больше углерода, чем человечество, а значит, выбрасывает в атмосферу более 6,4 млрд. тонн углерода.
Но растительный мир потребляет значительно больше углекислого газа, чем его выделяют животные. Выше мы оценили, что потребление углерода флорой Земли более, чем в 500 раз превосходит потребности человеческих организмов, т.е. составляет ежегодно, как минимум, 320 млрд. тонн. Эта величина близка к содержанию углерода в атмосфере. Конечно, флора существует не только на суше, но и в океане, а там CO2 больше, чем в атмосфере. Но в любом случае потребление флорой значительно превышает его поставки фауной. Почему же содержание CO2 в атмосфере не уменьшается?
Процесс фотосинтеза в растениях может быть схематично представлен уравнением: 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2. В результате фотосинтеза из атмосферы, почвы и океана растения извлекают углекислый газ и воду, а отдают в окружающую среду только две трети содержащегося в CO2 и H2O кислорода. Часть запасенных растениями элементов поглощается животными, а оставшаяся часть в течение сотен миллионов лет проходит несколько стадий обуглероживания: растительные остатки – торф – бурые угли – каменные угли – антрацит. В процессе обуглероживания из топлива выделяются водяной пар, углекислый газ и метан (CH4). И через каких-нибудь 200-250 миллионов лет из 1 кг древесины мы получим 370 г антрацита, состоящего в основном из углерода.
Таким образом, углеродный цикл (CO2 – растения – животные – CO2) оказывается незамкнутым, т.к. углерод из него непрерывно выводится. Следовательно, в геологическом масштабе времени содержание CO2 в природе уменьшается – ведь все огромные (разведанные и неразведанные) запасы ископаемого топлива когда-то были углекислым газом. И в очень далекой перспективе жизнь на Земле прекратится из-за отсутствия углекислого газа. Жаль, что борцы с ним не доживут до этого времени (человечество прекратит свое существование гораздо раньше и совсем по другим причинам), а то они наверняка поучаствовали бы в установлении квот не на выбросы, а на потребление углекислого газа.
А в нашем мелком масштабе времени (по сравнению с геологическим) относительно постоянное содержание в атмосфере поддерживается выделяющимися в процессах обуглероживания CO2 и CH4 (который затем сгорает в атмосфере с образованием CO2). Чем моложе органические остатки, тем ближе к поверхности Земли они располагаются и тем интенсивнее идет выделение летучих веществ. Но чем старше органические остатки, тем большее их количество успело накопиться в недрах Земли. В малом масштабе времени выделение CO2 органическими остатками можно считать постоянным, а колебания содержания CO2 в атмосфере в ту или иную сторону будут определяться в основном поглощением CO2 флорой Земли. Конечно, промышленные выбросы CO2 тоже могут иметь какое-то значение, но не очень сильное. Например, уменьшение площади лесов на 1% может привести примерно к такому же повышению концентрации CO2 в атмосфере, как и увеличение нынешних промышленных выбросов CO2 в два раза.