Вопреки мифам: как выбросы углерода породили озеленение Земли

То, что рост концентрации СО₂ в воздухе вызывает ускоренное развитие растений, было известно больше сотни лет назад. Советский физик и климатолог Михаил Будыко, в 1970 году первым заявивший о неизбежности глобального потепления, потратил немало времени, чтобы оценить влияние антропогенных выбросов углерода на биосферу. В 1980-х он пришел к выводу, что эти выбросы спровоцируют экспансию растительности по всей планете, что облегчит жизнь и животным. Этот вывод — одна из ключевых причин, по которой он оценивал глобальное потепление как «билет в потерянный рай». Он был первым исследователем, сформулировавшим такую научную позицию.

В западном научном мире идеи Будыко долго вызывали отторжение. Хотя ряд ученых фиксировали озеленение планеты на спутниковых снимках, их работы активно оспаривались, идея о глобальном озеленении не была общепризнанной вплоть до публикации в Nature в 2016 году. Тогда группе авторов (первым среди которых был ученый из КНР) впервые удалось наглядно показать огромный масштаб глобального озеленения Земли, а также вычислениями установить, что на 70 процентов оно обусловлено именно выбросами СО₂ и еще на восемь процентов — ростом глобальных температур. Как они выявили, сельскохозяйственная активность человека отвечала лишь за 13 процентов этого озеленения.

Однако публикация в Nature упала на неподготовленную почву: в западном научном мире всегда доминировала идея о губительности глобального потепления для биосферы. Поскольку истории планеты не известны случаи, когда биосфера страдала бы от резкой экспансии растительности, составляющей основу пищевой пирамиды, сразу несколько научных групп попытались оспорить выводы работы 2016 года. Сделать это для отрезка с 1982 по 2000 год было сложно, потому что наборов спутниковых данных по нему не так много, и все они однозначно показывают быстрое озеленение. Но кто ищет — тот всегда найдет, поэтому было предпринято множество попыток оспорить факт этого процесса для периода после 2000 года.

Одни авторы написали работы о том, что глобальное озеленение после 2000 года стагнировало, другие — даже что обратилось вспять. Как все это могло произойти, если спутники или фиксируют увеличенное количество зеленого на поверхности планеты, или нет? Ответ не очень сложен: если разбить наборы спутниковых наблюдений по группам, то можно заметить, что они показывают несколько разную динамику зеленого. Это неудивительно: аппаратная часть спутников может различаться по качеству, кроме того, некоторые из них провели на орбите больше времени, чем другие, и в работе их аппаратуры возникли ошибки. Если исследователь брал не все наборы данных, чтобы усреднить полученные значения, как авторы работы 2016 года, то мог найти среди этих наборов такие, где озеленение после 2000 года тормозилось.

Кроме того, оспаривающие выводы работы 2016 года попробовали учитывать не только нормализованный разностный индекс растительности, но и так называемый расширенный индекс растительности. В их подсчетах есть методологическая разница, поскольку нормализованный индекс чувствителен именно к хлорофиллу в целом, а расширенный — к особенностям кроны растений. Наконец, использовали еще один метод: брали отрезок покороче (после 2000 года, или даже после 2010 года) и замедление озеленения на нем трактовали как общий процесс последних лет.

Все эти противоречивые оценки создали серьезный информационный шум, за которым людям, далеким от научного мира, оказалось очень сложно понять, что, собственно, происходит. Озеленяется ли Земля, как предсказывал Будыко и констатировали китайские исследователи? Или, напротив, ее растительность и биосфера в XXI веке сжимаются?

Вопрос этот не совсем теоретический: если прав Будыко, то текущая дорогостоящая (на триллион плюс долларов в год) борьба с глобальным потеплением одновременно и борьба против зелени и биосферы в целом. Напротив, если правы его оппоненты, она — единственное спасение человечества от крайне болезненных последствий гибели растений и падения биопродуктивности планеты.

От «просто зеленого цвета» к конкретным цифрам

Авторы новой работы в Global Ecology and Conservation, группа ученых из КНР, попробовали оценить ситуацию на более надежном методологическом основании. Как они отмечают, вести споры о том, зеленеет планета или нет в смысле цвета, менее продуктивно, чем сосредоточиться на конкретном физическом параметре — индексе площади листьев. Чтобы выяснить площадь листьев и отделить ее от общего зеленого «сигнала» от наземной растительности, используются такие спутниковые наборы данных, что чувствительны к красной и ближней инфракрасной частям спектра.

Важной особенностью работы стало то, что авторы не отбирали спутниковые данные по принципу «те, что показывают максимум озеленения» или «те, что показывают максимум гибели растений». Напротив, они учли все четыре глобальных набора спутниковых данных по индексу площади листьев.

При этом у них получилось, что в 2001-2020 годах все четыре набора показывают статистически весьма значимый рост этого индекса для Земли в целом. Площадь листьев на планете расширялась на 55,15 процента от всей площади, где есть растительность, то есть устойчивое озеленение отмечалось на основной части суши. На 14,44 процента той же зоны наблюдался процесс обратный озеленению — «окоричневание», то есть отступление растений. Для остальной поверхности не было выраженного тренда ни в одну из сторон.

Интересная картина сложилась, когда авторы сопоставили связи между другими факторами, отслеживаемыми со спутников, и площадью листьев. Некоторые детали были очевидны заранее: там, где шло отступление растительности, влажность почвы снижалась. В тех частях планеты, где концентрация СО₂ была выше обычного, лучше росли и растения. Но были и неожиданности: рост температур по времени совпадал с озеленением не только в тех частях планеты, где прохладно (Китай, Европа, включая Восточную), но и там, где жарко. Например, именно так было в ряде районов Индии.

Еще более неожиданным был тот факт, что между осадками (а также солнечным излучением) и озеленением связь оказалась очень слабой. То есть в регионах, где осадки росли, озеленение не было заметно более активным, а там, где они снижались, не было заметно слабее. Из этого косвенно следует, что наблюдаемые изменения в осадках слабо влияют на влажность почвы на долгосрочных отрезках.

По всей видимости, это связано с давно известным фактом: там, где появляется растительность, влажность почвы во многом регулируется именно ею, а не собственно осадками. Так происходит потому, что при дефиците осадков растения, живущие при высоком содержании СО₂ в воздухе, могут сильно сужать устьица, крошечные отверстия на своих листьях. После такого сужения испарение ими воды из почвы минимизируется. В результате в земле сохраняется довольно много влаги, даже если осадки в том или ином году несколько ниже нормы.

Кто конкретно озеленил Землю?

Одним из ключевых возражений оппонентов идей Будыко и подтверждающих их спутниковых данных было то, что озеленение активнее всего происходит в Китае и Индии — странах с бурно развивающимся сельским хозяйством и, соответственно, большим вносом удобрений. В связи с этим в научном мире раздавались даже утверждения, что именно сельское хозяйство «отвечает за треть и, возможно, более, от наблюдаемого увеличения площади листьев» (то есть глобального озеленения). Разумеется, научпоп не лучшего качества пошел даже дальше и начал рассказывать то, чего никакие ученые никогда не заявляли: что якобы основная часть глобального озеленения объясняется влиянием сельского хозяйства.

Подобные возражения давно вызывали большие вопросы: например, озеленение в Китае сильнее всего затрагивало пустыни и полупустыни, а также Тибет, то есть зоны, где просто нет ни сельского хозяйства, ни вноса удобрений. 42 процента озеленения в КНР вообще пришлись на леса — и лишь 32 процента на пашню. Да, там есть программа посадки деревьев в засушливых зонах, но дело в том, что эти деревья потом никто не поливает и не удобряет. Очевидно, что выживание этих посадок было бы невозможно, если бы эти зоны и без того не подходили для быстрой экспансии растений.

Наконец, в целом ряде регионов Земли глобальное озеленение ярко проявилось как раз в период сокращения там сельхозплощадей. Например, в России и Австралии с 1980-х сельское хозяйство ушло с огромных площадей — но и там, и там скорость озеленения очень высока. И если в нашей стране ее еще можно списать не столько на влияние СО₂, сколько на ее крайне холодный климат, смягчающийся по мере потепления, то в Австралии об этом речи не идет. Если бы сельское хозяйство было главным фактором озеленения, примеры этих двух стран — общей площадью в пару раз больше Индии и Китая вместе взятых — было бы невозможно объяснить

Другой крупной проблемой этого подхода было то, что он не учитывал благотворное влияние СО₂ на сельское хозяйство. Примерно четверть в урожае основных культур в тех же США приходится именно на влияние повышенной концентрации углекислого газа в атмосфере — повышенной из-за антропогенных выбросов. Иными словами, рост площади листьев на пашне в наши дни в большой степени обусловлен теми же факторами, что и рост площади листьев в природе в целом.

Авторы новой работы подошли к проблеме «В чем же на самом деле причина глобального озеленения — в антропогенных выбросах углекислого газа или в сельском хозяйстве». Они сопоставили изменения в уровне СО₂ в той или иной зоне (спутники хорошо «видят» углекислый газ) с другими факторами, работающими для тех или иных участков земной поверхности. Оказалось, что СО₂ объясняет тренд по индексу площади листьев на 75,63 процента площади земной суши, имеющей растительность. Это даже несколько выше, чем в оценке авторов работы 2016 года (70 процентов).

В чем разница между скоростью глобального озеленения и его ускорением

Авторы задались весьма логичным вопросом: можно ли при современном уровне спутниковых наблюдений понять, замедляется ли сейчас глобальное озеленение? Это интересный вопрос, поскольку традиционно принято предполагать, что из-за роста дефицита водяного пара в атмосфере глобальное озеленение должно тормозиться.

«Дефицит давления водяного пара», хотя и измеряется в паскалях, — понятие не абсолютное, а относительное. Если относительная влажность кубометра воздуха при росте температуры остается неизменной, то количество водяных паров в нем будет быстро расти. Однако на практике в более теплых частях мира соотношение фактического количества водяных паров на кубометр воздуха к теоретически возможному при данной температуре ниже, чем в холодном. Чтобы понять, о чем речь, достаточно взглянуть на карту ниже. В Амазонии человеку из России первое время невозможно дышать — настолько влажен воздух. Однако формальный дефицит водяного пара там сильнее, чем в России, и несопоставимо сильнее, чем в Гренландии, Антарктиде или на Тибете (это легко видеть на карте ниже).

Таким образом, несложно заметить, что понятие это не отражает потенциальной пригодности той или иной климатической зоны для сложной жизни. В Гренландии и Антарктиде воздух крайне сухой, настолько, что без специальных мер это быстро вредит коже и слизистым, а растительность там либо слаба, либо ее не существует. То есть в местах с низким дефицитом водяного пара угнетение зеленой биомассы — норма. Напротив, в местах с умеренным дефицитом давления водяного пара норма — джунгли Амазонии и Конго. Лишь зоны, где этот дефицит выше 1,5-2,0 тысячи паскалей (то есть предельно высок), действительно малопригодны для растительности.

Многие климатологи утверждают, что по мере дальнейшего потепления дефицит водяного пара, уже усиливающийся в умеренных широтах, станет не таким умеренным, как в Амазонии, а таким неумеренным, как в тропических пустынях, что приведет к гибели растительности и концу глобального озеленения. А иные из них даже уверены, что это уже произошло. Вот на проверку этого тезиса и нацелились авторы новой работы. Если озеленение в масштабах планеты замедляется, значит, дефицит водяного пара действительно ударил по растениям.

К сожалению, для основной части земного шара точности данных текущих наблюдений оказалось недостаточно: четыре набора спутниковых снимков показали противоречивые данные по ускорению глобального потепления для 60 процентов суши. Напомним, что в таких работах речь идет только о той части суши, где есть растения, то есть вычитая арктические пустыни и Сахару.

Однако для 40 процентов суши ускорение глобального потепления определить удалось — и оно там оказалось в целом положительным. Иными словами, глобальное озеленение за 2001-2020 годы слегка ускорилось, а не замедлилось, хотя величина этого ускорения статистически пока незначима. Интересно, что нарастает скорость глобального озеленения на европейских равнинах (включая часть России), в Восточной Африке и Индии.

В России и Европе в целом в 2001-2020 годах площадь сельхозземель не выросла (а конкретно в нашей стране даже упала). При этом в ряде регионов североамериканских равнин и в Китае глобальное озеленение несколько замедлилось. Это особенно интересно потому, что конкретно в Китае в 2001-2020 годах сельское хозяйство испытало серьезнейший бум — урожаи основных культур выросли. Тезис «озеленение обусловлено интенсивным сельским хозяйством» в очередной раз не нашел подкрепления в конкретных данных.

Что из всего этого следует?

Исследователи считают, что главной причиной, по которой ряд предшествующих работ пытались «отменить» глобальное озеленение, было использование неоднозначных наборов данных. В первую очередь речь идет о Продвинутом радиометре очень высокого разрешения (Advanced Very-High-Resolution Radiometer, AVHRR), спутниковой системе наблюдений в пяти спектральных полосах. Две из них — около 600 и 900 нанометров — в теории отражают информацию по нормализованному разностному индексу растительности. Авторы новой работы отмечают, что для этого проекта уже давно известно о существенной проблеме с точностью, вызванной орбитальным дрейфом спутников, которые поставляют эти данные.

Их работа специально воздерживается от оценок нормализованного разностного индекса растительности и сосредотачивается вместо этого на индексе площади листьев — полученного по данным MODIS, системы спутниковых наблюдений с куда менее проблематичными наблюдательными инструментами, не дающими настолько больших систематических ошибок.

Получается следующая картина: глобальное озеленение — «неоспоримый факт», как констатируют авторы в своей работе. На 55 процентах земной суши, имеющей растительность, идет именно озеленение (активнее всего — на равнинах Европы и Индии) и лишь на семи процентах растительность отступает. Причем на три четверти за озеленение отвечает именно углекислый газ. Влияние роста его концентрации так велико, что дефицит давления водяного пара не только не может остановить озеленение, но не показывает даже способности остановить ускорение глобального озеленения.

Следует прямо сказать: эта научная работа описывает важнейший процесс, идущий в биосфере Земли. Да, у нее есть ограничения.

Например, площадь листьев растет медленнее, чем зеленая биомасса, о чем мы уже писали. Но все же зеленые растения суши составляют более двух третей от всей биомассы Земли. Если они показывают быструю экспансию, кормовая база для животных тоже быстро растет. А это, безусловно, хорошо для биосферы в целом.

Несмотря на важность темы, СМИ обходят ее стороной. Причина проста: для западных медиа это очень неприятная тема. После выхода первых работ о глобальном озеленении там даже появились специальные популярные статьи, где заявлялось, что глобальное озеленение в долгосрочном плане — это ужасно.

Естественно, найти убедительных аргументов, которые показывали бы, что бум растительности в долгосрочном плане «ужасен», было невозможно. Пришлось использовать полностью неубедительные. Работники СМИ не очень-то любят ставить свои подписи под плохо выглядящим материалом: после этого падает доверие читателей.

Неудивительно, что КНР, где единой партийной линии в вопросах глобального потепления не наблюдается, все еще может позволить себе научные работы об ускорении озеленения, а США — уже не особенно. В русскоязычном культурном пространстве отношение к антропогенным выбросам углерода ближе к США, чем к КНР. После смерти Будыко наше научное сообщество в основном повторяет западные тезисы по вопросу и в этом же духе информирует общество.