ИА REGNUM продолжает знакомить читателя с результатами объективного анализа причин современных изменений климата, проведённого профессором географического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова Алексеем Юрьевичем Ретеюмом. Начало читайте в статье «О тщетности Парижского соглашения и почему теплеет Арктика».

Вид на самые высокие горы на Земле — вулканы Мауна-Кеа и Мауна-Лоа на остове Гавайи (1820-е гг.)

* * *

Введение

Наши представления о происхождении современных изменений климата во многом опираются на информацию о росте концентрации в атмосфере СО2 (Рис. 1), который считается главным парниковым газом. Обычно имеются в виду результаты наблюдений на станции Мауна Лоа, ведущей мониторинг с 1959 года у вершины самого большого на Земле вулкана (высотой более 9 км от его подножья на дне Тихого океана), расположенного на острове Гавайи.

Атмосферная обсерватория у вершины вулкана Мауна-Лоа. Вид с Мауна-Лоа на Мауна-Кеа

Как известно, вулканическая активность всегда сопряжена с дегазацией недр. Однако, ключевая задача выяснения вклада природного фактора в зарегистрированные изменения концентрации СО2 остается нерешенной, более того, она даже не была поставлена. Априори считается, что тренд углекислоты целиком связан с развитием энергетики, а также других отраслей хозяйства. Это мнение подкрепляется сведениями, полученными на станциях Барроу на Аляске (1974−2016 гг.), Самоа (1976−2016 гг.) и Южный Полюс (1976−2016 гг.). Тем не менее есть основания сомневаться в корректности такого вывода.

Рис. 1. Рост концентрации СО2 в приземном слое атмосферы острова Гавайи (станция Мауна Лоа). Источник: по данным NOAA, ESRL, Global Monitoring Division

Принимая во внимание исключительную важность политических, теоретических и практических аспектов проблемы истоков происходящего глобального потепления, необходимо провести тщательное всестороннее рассмотрение вероятной климатообразующей роли естественного процесса дегазации Земли. Начать его, очевидно, следует с изучения отклика приземных слоев воздуха на внешние физические воздействия. Лучшим способом исследования в данном случае может служить постановка мысленного критического эксперимента, то есть такого опыта, итог которого должен получить только однозначное истолкование. Если глубинная дегазация, в самом деле, контролирует химический состав приземных слоев атмосферы, то при рассмотрении материалов станций мониторинга нужно ожидать обнаружения двух явлений. Во-первых, это возникновение аномалий СО2 при локальных и глобальных возмущениях тела планеты, а во-вторых — синхронизация изменений разных веществ, включая водород и метан.

* * *

Следы вулканических извержений

Вулкан Мауна Лоа был активен в июле 1975-го и марте-апреле 1984 годов, но, к сожалению, о его влиянии на состав атмосферы можно судить только по косвенным признакам и данным редких наблюдений, так как вся архивная информация о результатах постоянной работы автоматических газоанализаторов на гавайской станции за периоды извержений удалена. Установлено, что 25 марта 1984 года вулкан выбросил около 1,2 млн тонн SO2 на высоту 11 км. Очевидно, при этом в окружающую среду поступило сопоставимое количество углекислоты. Сравнение результатов периодических измерений концентрации СО2 в воздухе, забранном в колбы, свидетельствуют о существенном её повышении во время последнего события, эквивалентного приросту за год (Рис. 2).

Рис. 2. Ход концентрации СО2 в приземном воздухе Мауна Лоа в 1984 и 1985 гг. с максимумом во время извержения вулкана (анализ проб в колбах). Источник: Ibid

Интересно, что станция Мауна Лоа фиксирует поступление СО2 в атмосферу при извержениях вулкана Килауэ, находящегося примерно в 30 км от неё (Рис. 3).

Рис. 3. Пик концентрации СО2 при извержении вулкана Килауэ 11 марта 1980 г. (анализ in situ). Источник: Ibid

Чрезвычайно показателен отклик арктической атмосферы на активность вулкана Св. Елены, расположенного в Каскадных горах Северной Америки. Сигнал выявляется по материалам станции Барроу (Аляска; 71,32° с. ш.) на расстоянии 2800 км от источника эмиссии. Главные события произошли в 1980 году. 27 марта над горой поднялся столб пара и пепла, а 18 мая началось грандиозное извержение, когда газы и минеральные частицы были выброшены на высоту более 24 км. Оба процесса отразились на содержании СО2 (Рис. 4), которое повысилось на 5−7%, что близко к норме тренда за 10 лет. Данные Барроу точно указывают на момент перехода к резкому ускорению эндогенных процессов, совершившегося в феврале.

Рис. 4. Углекислый газ в атмосфере Аляски при извержении удаленного вулкана Св. Елены в 1980 г. (анализ проб в колбах). Источник: Ibid

Логично предположить, что катастрофа имела последствия в отношении состава атмосферы на всем земном шаре. И действительно, прирост концентрации СО2 в мае 1980 года у середины Тихого океана не имел аналогов более 20 лет (Рис. 5). Вывод о глобальном эффекте уникальных извержений подкрепляется тем фактом, что увеличение содержания газа в приземном воздухе после взрыва вулкана Пинатубо в июне 1991 года также превысило средний месячный показатель.

Рис. 5. Прирост концентрации СО2 на станции Мауна Лоа в мае. Источник: Ibid

Вулканическая деятельность в Каскадных горах возобновилась во второй половине 1989 года и вновь оказала значительное влияние на атмосферу Аляски (Рис. 6). При этом наблюдалось кратковременное увеличение содержания метана на 8−13%. Рост месячных показателей динамики газа был рекордным за период 1984—2017 годов.

Рис. 6. Повышение содержания СО2 в атмосфере при активизации вулкана Св. Елены в 1989 г. (анализ проб в колбах). Источник: Ibid

Суммарное количество поступающих в атмосферу твердых веществ при извержениях имеет тенденцию к росту, особенно в последние десятилетия, поэтому есть основания полагать, что сходные изменения претерпевают объемы газообразных вулканических выбросов.

* * *

Значение землетрясений

Выяснение роли сейсмического фактора в газовом режиме атмосферы затрудняется тем обстоятельством, что большая часть архивных данных за период 1973—2017 годов по дням с близкими землетрясениями была выбракована организаторами мониторинга из-за аномальных значений концентрации СО2. Тем не менее оставшиеся фрагменты рядов и сами характерные пробелы позволяют достаточно полно восстановить картину эндогенных воздействий.

Как правило, станции мониторинга фиксируют поступление СО2 из недр в приземные слои воздуха при землетрясениях с магнитудой от 3 баллов. Особенно четко газовый след землетрясений виден в тектонически спокойных районах, где сейсмические события относительно редки (Рис. 7 и 8).

Рис. 7. Повышение концентрации СО2 на станции Барроу до и после землетрясения 30 сентября 2010 г. магнитудой 5 балов; расстояние до эпицентра с координатами 72,79° с.ш. и 151,89° з.д. — 230 км (анализ in situ). Источник: Ibid. и International Seismological Centre
Рис. 8. Повышение концентрации СО2 на станции Барроу до и после землетрясения 13 января 2012 г. магнитудой 3.2 балла; расстояние до эпицентра с координатами 69,03° с.ш. и 166,51° з.д. — 397 км (анализ in situ). Источник: Ibid

Возникает вопрос, как далеко распространяется влияние на газовый состав атмосферы землетрясений небольшой силы, число которых на планете измеряется сотнями в день? Судя по данным наблюдений на Аляске, их воздействием охватывается зона с радиусом порядка 1000 км.

Факт, значение которого нельзя переоценить, состоит в том, что при землетрясениях в приземные слои воздуха вместе с углекислотой поступает молекулярный водород (Рис. 9). Совпадение совершенно закономерное, поскольку именно энергия водорода питает сейсмический процесс.

Рис. 9. Синхронный выброс углекислого газа и водорода при землетрясениях 8–9 апреля 2000 года магнитудой 2,5–3,5 баллов на Аляске; расстояние до эпицентров — от 1057 до 1131 км (анализ проб в колбах на станции Барроу). Источник: Ibid

Реакция водорода с кислородом вызывает эффект Сывороткина — разрушение озона воздуха, причем не только в его приземном слое (Рис. 10),

Рис. 10. Разрушение озона в приземном слое атмосферы при выбросе водорода в время землетрясений 8-9 апреля 2000 г. на Аляске (анализ in situ на станции Барроу). Источник: Ibid

но и в стратосфере (Рис. 11).

Рис. 11. Уменьшение общего содержания озона в слоях стратосферы выше 25,45 гПа при выбросе водорода в апреле 2000 г. на Аляске (станция Барроу). Источник: по данным SBUV Merged Ozone Data Set, Goddard Space Flight Center

Одновременно воздух у земной поверхности получает тепло (Рис. 12).

Рис. 12. Колебания температуры воздуха до и после аляскинского землетрясения 8 апреля 2000 г. магнитудой 2.5 балла с координатами 61,52° с.ш. и 149,61° з.д. (станция Барроу, измерения с минутным интервалом). Источник: NOAA, ESRL, Global Monitoring Division и International Seismological Centre

и влагу (Рис.13).

Рис. 13. Изменения относительной влажности воздуха в апреле 2000 г. на станции Барроу. Источник: Ibid

Как и следовало ожидать, при землетрясениях наряду с углекислотой из недр выделяется метан (Рис. 14 и 15).

Рис. 14. Концентрации СО2 на станции Барроу до и после землетрясения на 12 мая 2016 г. магнитудой 3,1 балла; расстояние до эпицентра с координатами 68,08° с.ш. и 136,33° з.д. — 856 км (анализ in situ). Источник: Ibid
См. рис. 14
Рис. 15. Выброс метана при землетрясении 12 мая 2016 г. на Аляске (анализ in situ на станции Барроу) Источник: Ibid

Активность недр проявляется в атмосфере даже в центре Антарктиды, несмотря на толщу льда мощностью более 2,8 км. На это указывают не только пики концентрации СО2 (Рис. 16),

Рис. 16. Выброс СО2 на станции Южный Полюс при землетрясении 4 сентября 2016 г. магнитудой 4,2 балла: расстояние до эпицентра с координатами 80,03° ю.ш., 42,59° в.д. — (анализ in situ). Источник: Ibid

но и синхронные изменения температуры воздуха (Рис. 17).

Рис. 17. Кратковременный рост температуры воздуха на станции Южный Полюс при выбросе газов 4 сентября 2016 г. (измерения с минутным интервалом). Источник: Ibid

Глубина очага землетрясения при чётко выраженной дегазации у земной поверхности, согласно имеющимся данным, может варьировать от 0−10 до 60−70 км.

Обнаруживается феномен своего рода дальнодействия катастрофических землетрясений (магнитудой 9 баллов и более) на состав атмосферы. Так, Великое Японское землетрясение 11 марта 2011 года вызвало резкое повышение концентрации СО2 в центре Тихого океана (Рис. 18).

Рис. 18. Реакция атмосферы Гавайских островов на землетрясение у Хонсю магнитудой 9 баллов; координаты эпицентра 38,30° с.ш., 142,50° в.д., расстояние до станции Мауна Лоа — 6260 км (анализ in situ). Источник: Ibid

Что стало причиной возникновения этой аномалии — адвекция или вынужденные местные колебания земной коры? Очевидно, не ветровой перенос, так как на 11 марта 2011 года пришелся максимум землетрясений в районе Мауна Лоа (Рис. 19).

Рис. 19. Землетрясения магнитудой ≥ 2 баллов в марте 2011 г. у Мауна Лоа в квадрате с координатами 17–22° с.ш., 152–157° з.д. Источник: расчет по данным International Seismological Centre

Надежным признаком деформации литосферы под влиянием 9-балльного землетрясения 2011 года служат высокочастотные пульсации температуры воздуха, порожденные турбулентностью при окислении поступившего к земной поверхности водорода (Рис. 20).

Рис. 20. Рост колебаний температуры воздуха на станции Мауна Лоа при 9-балльном землетрясении 2011 г. (измерения с минутным интервалом). Источник: Ibid

Еще обширнее была сфера влияния Великого Суматринского землетрясения 26 декабря 2004 года, эпицентр которого находился в 11 813 км от места регистрации сигнала на станции Мауна Лоа (Рис. 21). Столь далекое распространение импульса, вероятно, обусловлено деформацией всей литосферы, признаками которой служат колебания силы тяжести, зарегистрированные в разных точках земного шара.

Рис. 21. Аномалия СО2, связанная с землетрясением у Суматры магнитудой 9,3 балла; координаты 3,41 с.ш., 95,9 в.д. (анализ in situ). Источник: NOAA, ESRL, Global Monitoring Division

Большой интерес представляют последствия 9-балльного землетрясения, произошедшего у берегов Суматры 11 апреля 2012 года. Дело в том, что повышение концентрации СО2 и СН4 на станции Мауна Лоа, находящейся в 12 160 км от эпицентра, началось за 3−4 суток до катастрофического толчка (Рис. 22 и 23).

Рис. 22. Повышение концентрации СО2 в воздухе Гавайских островов при землетрясении с координатами эпицентра 2,24° с.ш., 93,01° в.д. (анализ in situ). Источник: Ibid
Рис. 23. Аномалия метана в атмосфере острова Гавайи при землетрясении 11 апреля 2012 г. у Суматры (анализ in situ). Источник: Ibid

Почти одновременное сильное падение общего содержания озона в атмосфере в районах островов Суматры и Гавайи в середине апреля 2012 года (Рис. 24) указывает на выбросы глубинного водорода во время катастрофического землетрясения в разных частях земного шара.

Рис. 24. Изменения общего содержания озона в атмосфере, связанные с землетрясением 11 апреля 2012 г. у Суматры. Источник: по данным SBUV Merged Ozone Data Set, Goddard Space Flight Center

Таким образом, можно говорить о синхронности процессов дегазации недр в глобальном масштабе.

* * *

Планетарные события

Время от времени наша планета испытывает возмущения, которые видны по резким изменениям координат Северного географического полюса и длины суток. В такие моменты, как правило, наблюдаются выбросы СО2. Особенно это касается станций Мауна Лоа и Самоа, расположенных близко к экватору, где угловая скорость вращения максимальна. В ряде случаев реакция атмосферы в удаленных друг от друга точках бывает одновременной (Рис. 25 и 26).

Рис. 25. Движение Северного полюса в январе 2012 г. с резким изменением его направления в середине месяца. Источник: по данным International Earth Rotation and Reference Systems Service
Рис. 26. Отклики атмосферы на островах Гавайи и Самоа на смещение Северного полюса 15 января 2012 г.; расстояние между станциями Мауна Лоа и Самоа – 4097 км (анализ СО2 in situ). Источник: по данным NOAA, ESRL, Global Monitoring Division

В синхронных выбросах СО2 четко проявляется общеземной характер глубинной дегазации (Рис. 27).

Рис. 27. Одновременное повышение концентрации СО2 в разных районах Тихого океана при резком изменении ориентации земной оси 30 апреля 1981 г. (анализ in situ). Источник: Ibid

Замедление вращения планеты при уменьшении внутреннего давления ведет к выравниванию суточного хода дегазации (Рис. 28).

Рис. 28. Уменьшение суточных колебаний концентрации СО2 на станции Мауна Лоа в результате экстремального снижения угловой скорости вращения Земли 7 сентября 2006 г. (анализ in situ). Источник: Ibid

Напротив, ускоренное вращение Земли влечет за собой усиление дегазации недр на широтах Гавайских островов (Рис. 29).

Рис. 29. Повышение концентрации СО2 на станции Мауна Лоа во время роста угловой скорости Земли с максимумом 16 марта 2005 г. (анализ in situ). Источник: Ibid

* * *

Долговременная синхронизация

Синхронная дегазация в масштабах планеты обнаруживается не только в экстремальных случаях. Совпадают по времени годичные минимумы и максимумы концентрации СО2 на всех четырех станциях мониторинга с длинными рядами наблюдений (Рис. 30).

Рис. 30. Аномальные годичные приросты концентрации СО2. Источник: расчет по данным NOAA, ESRL, Global Monitoring Division

Сходной закономерности, естественно, подчиняется поведение метана, более того, его концентрации в период минимума дегазации даже уменьшаются по сравнению с 1992 годом.

Исходя из правила параллелизма в динамике глубинных газов, логично предположить, что дегазация водорода также была аномально высокой в 1998 году. И это действительно так. В материалах глобальной сети станций обращает на себя внимание факт повышения величины прироста концентраций водорода с юга на север (Рис. 31).

Рис. 31. Распределение прироста концентраций водорода в 1998 г. по станциям. Источник: Ibid

Объяснить его можно единственным образом — только тем, что высокие широты отличаются активной дегазацией. Причина: движение ядра Земли в направлении к Арктике под действием давления со стороны расширяющегося Южного полушария.

* * *

Тренды последних десятилетий

Итак, есть множество свидетельств геодинамического контроля состава атмосферы, проявляющегося в аномалиях различной длительности. Нельзя априори исключать вероятность того, что и наблюдаемые ныне тренды содержания углекислоты, метана, водорода, воды и других газов также имеют естественное происхождение. Для проверки этой гипотезы необходимо предложить такие критические эксперименты, которые бы позволили получить неопровержимые доказательства ее соответствия реальности.

Содержание первого из предлагаемых мысленных опытов диктует отмеченное выше различие в приросте концентрации СО2 между северными и южными широтами. Если гипотеза верна, при почти полном отсутствии массообмена в атмосфере через экватор должны быть обнаружены тесные связи между интересующими нас показателями состава воздуха на островах Самоа и Гавайи с максимумом коэффициента корреляции в ноябре.

Условие изоляции Северного и Южного полушарий характеризует расхождение между скоростями меридиональных ветров на широте 10−20°. Оно, как видим, выполняется (Рис. 32).

Рис. 32. Соотношение между скоростями меридионального ветра у земной поверхности в поясах 10-20° с.ш. и 10-20° ю.ш. Источник: расчет по данным NCEP Reanalysis

Предположение о самой сильной связи в ноябре вытекает из обнаруженного автором эффекта увеличения частоты землетрясений в момент приближения планеты к звезде, когда происходит смещение ее ядра по инерции (Рис. 33).

Рис. 33. Годовой ход частоты землетрясений магнитудой ≥ 7 на планете в период 1900-2016 гг. Источник: расчет по данным International Seismological Centre

Результат проверки — полное соответствие гипотезы фактам (Рис. 34).

Рис. 34. Связь между суточными концентрациями СО2 на станциях Мауна Лоа и Самоа в ноябре за период 1976-2016 гг.; коэффициент корреляции равен 0,9995 (анализ in situ). Источник: Ibid

Второй мысленный опыт выступает как продолжение первого. Его задача следующая: показать, что существует хорошая связь между концентрациями СО2 в приземных слоях воздуха в Арктике и Антарктиде, несмотря на их совершенную автономность. Обособление приполярных частей атмосферы отражает несовпадение скоростей меридионального ветра (Рис. 35). Тем не менее коэффициенты корреляции между месячными и годичными показателями содержания СО2 на станциях Барроу и Южный полюс составляют 0,959 и 0,999 соответственно, что означает полную согласованность, которая возможна только при синхронной дегазации на уровне планеты.

Рис. 35. Соотношение между скоростями меридионального ветра у земной поверхности в поясах 65-70° с.ш. и 65-70° ю.ш. Источник: расчет по данным NCEP Reanalysis

Идея третьего опыта основана на результатах предыдущего анализа, говорящих о зависимости концентраций СО2 от глобальных деформаций, о которых сигнализируют движения земной оси. Возможно, что кроме кратковременных аномалий они формируют многолетние тренды. Как известно, Северный географический полюс смещается в сторону Гудзонова залива по меридиану 78° з. д., служащему (вместе с его продолжением на 102° в. д.) физической границей между океаническим и континентальным полушариями. Этот дрейф указывает на расширение тела планеты и сопутствующую дегазацию. Параллелизм двух процессов очевиден (Рис. 36).

Рис. 36. Изменение координаты «Y» Северного географического полюса и рост концентрации СО2. Источник: по данным NOAA, ESRL, Global Monitoring Division и International Earth Rotation and Reference Systems Service

Четвертый опыт также развивает полученные ранее выводы относительно связи землетрясений с газовым составом приземного воздуха. Если единичные сейсмические события способны создавать аномалии СО2, то многие тысячи их, очевидно, должны иметь глобальный эффект. Индикатором связи служит увеличение числа землетрясений в последние 50 лет (Рис. 37).

Рис. 37. Землетрясения магнитудой ≥ 5 на планете в период 1965-2016 гг. и линейный тренд их числа. Источник: расчет по данным International Seismological Centre

Наконец, при планировании пятого опыта учтен факт одновременного выделения из недр углекислоты и водорода, разрушающего озон. Значит, нужно ожидать, что увеличение концентрации СО2 сопровождается уменьшением общего содержания озона в атмосфере по чисто естественным причинам (производство озонразрушающих веществ давно прекращено во всем мире). Материалы наблюдений это подтверждают (Рис. 38).

Рис. 38. Изменение общего содержания озона в атмосфере Аляски (март, станция Барроу). Источник: расчет по данным SBUV Merged Ozone Data Set, Goddard Space Flight Center

Значительно более сильное истощение озонового слоя происходит в арктических районах Сибири (Рис. 39).

Рис. 39. Снижение общего содержания озона в атмосфере на побережье моря Лаптевых (март, станция Тикси). Источник: Ibid

Высокие темпы разрушения озона и уникальная скорость потепления климата на азиатском Севере — два следствия одной причины, а именно интенсивной глубинной дегазации в результате перемещения ядра Земли.

* * *

Заключение

Представленная совокупность фактов образует необходимую основу для эмпирического обобщения, отражающего естественный процесс современных изменений газового состава атмосферы под влиянием глубинных источников. Этот результат трудно оспорить, но можно игнорировать.

Было бы желательно провести симметричное изучение вероятного эффекта хозяйственной деятельности. В предварительном порядке такой анализ был выполнен путем постановки критических экспериментов с последствиями колебаний производства и потребления энергии. Гипотеза определяющей роли антропогенной эмиссии СО2 в режиме воздушной оболочки не получила подтверждения.