Плиоценовое предупреждение: чем грядущие дожди угрожают югу России и центру Африки?

Мир продолжает ставить рекорды по подстегиванию потепления: в 2021 году человечество выбросило в атмосферу более 40 миллиардов тонн углекислого газа, больше, чем когда-либо еще в своей истории. И хотя жители России из-за эффекта Ла-Ниньи временно не ощущают этого, уже очевидно, что прогноз советского ученого Михаила Будыко, в 1970 году первым заявившем о неизбежности глобального потепления, сбудется. Он ожидал роста среднемировой температуры с +14 до +15 за 1970–2020 годы и до +16 к 2070 году.

Казалось бы, что может дать рост всего на 1–2 градуса? Как отмечал сам Будыко, это коренным образом изменит условия жизни людей на Земле. Важнейший вопрос: как именно? Специалисты из МГЭИК (международной группы экспертов по изменению климата при ООН) считают, что в худшую сторону. Будыко был уверен: в лучшую.

Причины капитальных расхождений между взглядами отечественного ученого и мирового научного сообщества в целом — в разнице подходов. МГЭИК верит в то, что результаты климатического моделирования описывают будущее планеты при потеплении вполне точно. Будыко и многие другие не раз отмечали: существующие модели не могут «предсказать» климат на Земле в прошлом. То есть при попытке воспроизвести в них климатические условия прошлых теплых эпох ничего не выходит: вместо данных палеоботаники, показывающих влажный климат, выходит сушь и так далее. А это значит, что такие модели не способны предсказать и будущее.

Оппоненты точки зрения Будыко, например современный российский климатолог Александр Чернокульский, считают такие возражения неосновательными. Как отметил в комментарии для Naked Science Чернокульский, прошлые климаты существовали совсем в других условиях: до 5 миллионов лет назад Панамского перешейка не было, обмен водами и воздушными массами между Тихим и Атлантическим океанами серьезно менял картину происходящего при потеплении.

Да, модели не могут «предсказать» климат тех лет, благо точные последствия такого обмена в далеком прошлом климатологам неизвестны. Но это совсем не значит, что модели будут предсказывать будущие события земного климата хуже, чем метод палеоаналогов, которым пользовался Будыко.

Суть метода, сторонником которого был Михаил Будыко, в том, что потепление в XXI веке должно иметь последствия, сходные с потеплениями прошлого. Полноценное моделирование одними численными методами сторонники метода палеоаналогов считают невозможным в силу сложности таких моделей и неполного представления о ряде факторов, управляющих ими. 

Вопрос о методе здесь не чисто теоретический. Прошлые потепления не показали целого ряда последствий, предсказываемых сегодняшними моделями, например роста числа засух. Зато они имели целый ряд последствий прямо противоположных, позитивных.

В числе таких последствий — зарастание Сахары и других крупных пустынь зеленью, рост количества осадков по всему миру, а также снижение разницы температур между экватором и приполярными зонами до уровня, когда климат на побережье Северного Ледовитого океана станет похож на климат московского региона до наступления глобального потепления.

Но, полагает Чернокульский, далеко не факт, что в мире, где морские течения и ветра изменились за счет смыкания Панамского перешейка, палеоаналоги могут предсказывать будущее действительно надежно. 

Все это означает: исключительно важно проанализировать прошлые теплые эпохи земного климата, существовавшие уже после смыкания Панамского перешейка. А оно произошло не позднее 4,5 миллиона лет назад, в плиоцене. Если и тогда положительные последствия потепления были сходными с последствиями более древних потеплений, то и нам стоить ждать усиления уже идущего с 1980-х годов озеленения Сахары (и остальной планеты). Если же в плиоцене потепление не вело к таким изменениям, значит, и будущее землян в XXI веке выглядит довольно сумрачно.

Так что же показал плиоцен?

Авторы  статьи, недавно опубликованной в Nature Communications, обратились именно к этому вопросу. Что и почему творилось с зеленью в плиоцене — последней геологической эпохе, когда уровень СО2 в воздухе был выше 400 частей на миллион, как сегодня?

Рон Фенг (Ran Feng) из Университета Коннектикута (США) отмечает: несмотря на крайнее географическое сходство с сегодняшней Землей, плиоцен имел ряд неожиданных отличий. Засушливые зоны, сегодня лежащие в Сахеле и северном Китае, тогда были куда более богаты растительностью. А по карте в его статье видно, что исследователь еще смягчил ситуацию: в реальности зелеными тогда были не только Сахель, но и крупные участки Сахары и Гоби. 

Его соавтор Трипти Бхаттачарья (Tripti Bhattacharya) формулирует еще жестче: средняя температура плиоцена была на 2–3 °C выше, чем сегодня. И все, что мы знаем о физике климатических систем [то есть из климатического моделирования. — NS], предполагает, что это должно было привести к более сухому климату в субтропиках. Но на практике этого не случилось. Отчего?

Ученые решили выяснить, могут ли существующие климатические модели воспроизвести климат плиоцена. Для этого они запускали их много раз, пытаясь получить весь спектр климатов, возможный при тех температурах и концентрациях СО2, что имелись в плиоцене.

Как оказалось, в целом ряде случаев моделирование дало именно тот вариант, который известен из анализа отложений и палеоботанических данных плиоцена реального, то есть более влажные субтропики, пустыни много меньше сегодняшних и тому подобное.

Но такие результаты достигались моделями только в том случае, если исследователи вручную вводили в них две важнейшие модификации: распространение растительности в ныне сухих районах и резко уменьшенную площадь ледовых шапок, особенно в северном полушарии.

Обычно внос каких-либо факторов в климатическую модель «вручную» нежелателен: модель, в идеале, сама должна давать нужную картину на основе заложенных в нее данных. Однако типичная климатическая модель часто просто не может учесть процессы зарастания. Все потому, что биологические процессы вообще крайне плохо моделируются. Так что в данном случае исследователям пришлось ввести озеленение пустынь «руками». Благо, из данных по ископаемым растительным остаткам известно, что растения в изучаемых ими зонах в плиоцене были. Фактически, ученые задействовали в своей работе метод палеоаналогов, только не использовали напрямую такой термин. 

Рон Фенг описывает это так: «Озеленение континентов и отступление ледниковых щитов глубоко влияет на температуру за счет снижения альбедо поверхности планеты — способности Земли отражать солнечный свет обратно в космос. А также оказывает глубокий эффект на гидрологический цикл, позволяя увеличивать испарение воды с поверхности суши и меняя распределение осадков».

Чтобы понять последнюю фразу, следует разобраться в деталях. Обычно считается, что увеличенная испаряемость — враг влажного климата, что она несет угрозу засухи. Поэтому часто высокую испаряемость считают отрицательным фактором, мешающим растительности и остальной жизни. Однако есть нюанс: если испаряемость будет низкой, то даже очень обильные осадки принесут растительности и биосфере вред, а не пользу.

Типичный пример — тундра. Это очень странный биом, которого еще несколько тысяч лет назад на Земле почти не существовало. Тундра возникает там, где испаряемость низкая из-за невысоких температур. И хотя осадков в тундре не так много, принесенная ими влага не успевает испариться из грунта и замерзает в нем, становится вечной мерзлотой, непригодной для корней растений. Из-за этого в тундре доминируют мхи и лишайники — благо у них нет корней.

Есть у низкой испаряемости и еще одна большая проблема. Вода попадает на сушу, испарившись из морей и выпав над континентом в виде осадков. Дождь и снег не выбирает, над каким конкретно участком суши он выпадет. Поэтому он может идти «пятнами», сильно увлажняя прибрежные зоны, но не затрагивая более континентальные. Именно поэтому количество осадков в Лондоне (690 миллиметров в год) радикально выше, чем, например, в Рязани (555 миллиметров в год).

Но если испаряемость растет, то часть влаги, выпавшей в прибрежных зонах, снова испаряется, и продолжает распространяться в виде облаков вглубь континентов. Это и есть то, что стоит за словами «меняя распределение осадков»: именно рост испаряемости в теплом плиоцене позволял осадкам достигать даже внутренних районов больших континентов, типа Африки или Евразии.

А вот если бы испаряемость на планете в целом по мере потепления не росла, то центральные районы континентов становились бы много жарче, чем раньше, превращаясь в полностью необитаемые для крупных животных и растений пустыни. А вот приморские районы из-за того же потепления получали бы слишком большие количества дождей. 

Работа Фенга и соавторов показывает исключительный рост увлажнения именно в  засушливых сегодня Сахеле и Восточной Азии. Разница между осадками и испаренными осадками 3,0–3,3 миллиона лет назад в этих районах была на 1000 миллиметров больше, чем сегодня. То есть осадков там выпадало как минимум на тысячу миллиметров год больше, чем сегодня. Для сравнения: в Рязани и 600 миллиметров в год не выпадает.

Казалось бы, что плохого в более влажном климате плиоцена и более богатой растительности зон, сегодня ставших засушливыми? Ничего.

Но Рон Фенг обеспокоен: «Это означает, что гидрологический цикл изменится намного сильнее, чем мы [научное сообщество] этого ожидаем сегодня». Причины просты: в климатических моделях эффект массового озеленения континентов и отступления льдов учитывается крайне мало. А без этого не добиться «предсказания климатических условий в следующие 10 или 50 лет».

Это очень серьезная причина для беспокойства, продолжает Рон Фенг. Ведь из-за озеленения континентов (которое уже давно идет) и отступления льдов Юго-Восточная Азия, Северная Индия и Западная Африка, уже получающие «избыточные» (по Фенгу) количества летних дождей, увидят еще большее их количество.

Мы вернемся к вопросу обоснованности его опасений чуть позже, а пока остановимся на паре очень важных выводов из работы.

Растительность: сильнейший помощник глобального потепления

В моделях Фенга и соавтора получилось, что 78% от всего усиления осадков в засушливых зонах в плиоцене — результат озеленения континентов в более теплом климате и отступления льдов. В высоких температурах Земли в плиоцене — на 2,7 градуса выше современных — влияние наступления зелени и отступления льдов — 50%.

Растения делают покрываемую ими сушу темнее, как, впрочем, и уход льдов. На отступление льдов при потеплении реалистичных методов влияния нет. Если глобальное потепление началось, льды уходят автоматически. Этот фактор не является активным, это лишь пассивное следствие потепления. И мы практически не можем на него повлиять.

Но вот на растительность мы, люди, влияем каждый день. Мы выбрасываем десятки миллиардов тонн углекислого газа в год, чем уже повысили биопродуктивность зелени на планете вокруг нас на одну шестую. Кроме того, мы вносим в почву удобрения, это тоже увеличивает зеленую биомассу, хотя и не так сильно, как антропогенные выбросы СО2.

Поэтому вывод, что единственная «свободная» переменная, делающая засушливые зоны более влажными, это растения, является чрезвычайно важным.

Дело в том, что в современном мире именно посадки деревьев рассматривают как важнейшее средство борьбы с потеплением. Считается, что деревья свяжут углекислый газ, а после их гибели уйдут в грунт, не успев вернуть накопленный углерод в биосферу. Это, по мысли зеленых активистов, снизит глобально потепление.

Работа Фенга и соавторов наносит по этой концепции сильнейший удар. Получается обратное: потемнение поверхности планеты из-за ее массового озеленения при потеплении работает ровно наоборот. Оно поднимает температуру земной поверхности, вдобавок еще и увеличивая осадки.

Перед нами отличная иллюстрация того, к чему ведет неведение. Не зная реальных последствий массового озеленения, Greenpeace и многие другие зеленые движения призывают к массовой посадке деревьев. Между тем их последствия, как показывает пример плиоцена, ровно противоположны тому, к чему стремятся зеленые. Они не остановят рост температур, а подстегнут его. И довольно сильно.

Так что же, север Индии утонет?

Вернемся к опасениям Фенга: Юго-Восточная Азия, Северная Индия и Западная Африка уже получают «избыточное» количество осадков. Что же с ними будет, когда увлажнение, как показывают расчеты Фенга и соавторов, еще вырастет?

Если вглядеться в карту осадков выше, то нетрудно заметить: Северную Индию вообще-то трудно назвать получающей избыточное количество осадков. Основная часть Западной Африки тоже не особо влажна: менее 2000 миллиметров в год, что, по меркам тропического и экваториального климата, не так много и даже не всегда ведет к появлению лесов. Небольшое пятно в районе Бангладеш действительно получает много осадков.

Но в том-то и дело, что разрешения модели Фенга и соавторов не хватает, чтобы четко понять, будет рост осадков именно над Бангладеш или, напротив, он распределится над всей Юго-Восточной Азией. Из палеоботанических данных нельзя сделать никаких выводов об угнетении растительности в плиоцене. Иными словами, если рост осадков в названных им регионах и может быть опасен, то никаких достоверных данных об этом пока нет.

Даже сила ураганов в мире плиоцена — а также в мире второй половины XXI века, благо климатически они очень похожи — по моделям Фенга не показывает никакого роста в тропиках. А вне их — в умеренных широтах — сила ураганов даже снижается, отмечается в работе.

Причина проста: чем теплее на планете, тем меньше разрыв температур между полюсом и экватором, а значит тем меньше энергетический бюджет, подталкивающий мощные циклоны, движущиеся из тропиков на север.

Угроза, которую не заметил Фенг, но заметил Будыко

К сожалению, сравнительная безопасность умеренных широт от ураганов, а Западной Африки или Индии от осадков совсем не означают, что глобальное потепление в XXI веке будет сплошным благом, каким оно было для природы плиоцена. Дело в том, что быстрое увлажнение Сахеля и Центральной Азии, по поводу которых Рон Фенг даже не высказывает каких-то опасений, на самом деле — очень непростое явление.

Да, конечно, рост осадков на 1000 миллиметров в год в засушливых зонах — это отлично. Но присмотримся к физической карте мира: заметная часть Сахары и внутренних земель Евразии вообще-то лежат ниже уровня моря. Само море при этом им не угрожает: оно отделено от этих земель более высокой сушей. Темпы подъема морских вод в наши дни ниже 4 миллиметров в год и даже в перспективе не будут достигать нескольких сантиметров в год. 

А вот резкий рост количества осадков, падающих с неба, совсем другое дело. Переключение режимов осадков для Сахары возможно на величину до 1000 миллиметров в год, и такой резкий рост возможен за считаные десятки лет, а по ряду расчетов — за считаные годы. Если в местность ниже уровня моря начинает прибывать по 1000 миллиметров в год, она начинает довольно быстро уходить под воду.

Присмотримся к карте Африки выше. Или взглянем на карту Каспийского моря ниже. Легко видеть, что воды Чада, Каспия и многих других крупных озер покрывали на миллион с лишним больше квадратных километров, чем сегодня. Внутренние моря плиоцена плескались ближе к Саратову, чем к территории нынешней Астрахани, тогда лежавшей глубоко под водой.

В позднем плиоцене площадь Каспия возросла кратно, а его волны бились о земли, ныне входящие в Саратовскую область. Если человечество встретит возврат плиоцена неготовым, современные Астраханская и Волгоградская области вместе с Калмыкией рискуют стать Атлантидой.

Возьмем тот же Чад. Сегодня его берега — самые густонаселенные области целого ряда африканских стран. Это вполне логично: чуть в сторону от них воды нет вообще, отчего люди и не хотят там жить, приходится кучковаться у озера. Но Чад плиоцена и других потеплений прошлого легко мог занимать до миллиона квадратных километров (состояние мега-Чада). Это площадь довольно крупной страны, например Египта.

Исходя из расчетов Фенга, а до него — Будыко, XXI непременно станет столетием, когда мега-Чад возродится. Как отдельно отмечал Будыко, площадь Каспия при глобальном потеплении тоже с высокой вероятностью попробует вернуться в прошлое.

Если взглянуть на карту Мега-Чада несколько тысяч лет назад, во время климатического оптимума голоцена. когда средние температуры Земли были примерно как в наши дни, или 120 тысяч лет назад, когда она была выше на два градуса, то заметно, что он был много больше. По площади озеро сближалось с современным Каспием. Но при более серьезном потеплении Мега-Чад может стать вдвое больше сегодняшнего Каспия..

Но оставим Африку африканцам, вернемся к более близким местам. В России проблемы из-за расширения Каспия от дождей, конечно, не сведутся к самому Каспию. Без строительства соответствующих плотин Волга будет подниматься одновременно с ним. То есть нижневолжские города будут затопляться весьма активно. Если, конечно, заранее не спроектировать нужную систему дамб и плотин, протяженностью в тысячи километров, перекрывающую все побережье Каспия, и не дающих ему подтоплять берега Нижней Волги.

Причем в случае наступления каспийских воду эту систему дамб и плотин надо строить быстро. Если подъем уровня Мирового океана сейчас составляет всего 4 миллиметра в год, то Каспий или Чад могут подниматься на десятки, а то и сотни миллиметров в год. Ведь это относительно небольшие бессточные водоемы, откуда упавшим с неба осадкам просто не испариться быстрее обычного.

И ко всему этому абсолютно никто в окружающем нас мире не готов. Ладно бы только политики не были готовы, но и в научном сообществе  сходная ситуация. Даже Рон Фенг, чьи расчеты показали резкий рост увлажнения в засушливой Сахаре или Центральной Азии, не задался вопросом: а что будет с жителями берегов местных озер при резком переключении режима осадков в нормальную увлажненность?

Многие другие исследователи вообще про это не думают, кажется. Александр Чернокульский в ответ на вопрос, не стоит ли принять какие-то меры на случай будущего быстрого наступления Каспия или Чада из-за потепления, отметил, что пока ничего подобного никем из ученых особо не ожидается. Прошлые наступления этих водоемов во времена былых потеплений (например, Микулинского 120 тысяч лет назад), отмечает он, случились при иных климатических условиях.

Тогда ведущей силой потепления был не рост концентрации СО2, а изменение силы солнечного излучения в северном полушарии. Такие колебания вызваны периодическими изменениями орбиты Земли, и они формируют иную картину потепления: при этом особенно сильно нагреваются районы с низким альбедо. А при современном потеплении сильнее всего нагреваются те районы, где рост концентрации СО2 больше всего снижает теплопотери в виде излучения, уходящего в космос.

На первый взгляд кажется, что отличия между этими сценариями невелики. В первом планета теплеет за счет усиленной работы «обогревателя» (Солнца), во втором — за счет укутывания более теплым «одеялом» (СО2).

Но с точки зрения климатического моделирования отличия между этими сценариями довольно значительны. У имеющихся моделей потепление за счет роста солнечного излучения показывает большее озеленение Сахары, чем потепление за счет роста концентрации СО2 в атмосфере. Александр Чернокульский отмечает: фактически это означает, что у идущего сейчас изменения климата нет работающих палеоаналогов.

Новая работа Рона Фенга показывает, что ситуация существенно сложнее. Плиоцен был теплым много дольше, чем позволяли бы периодические изменения орбиты Земли. Ясно, что тогда планета была теплой за счет более высокого уровня углекислого газа. И тем не менее в этом палеоаналоге засушливые центры Африки и Азии были много более влажными, чем сегодня.

Михаил Будыко еще десятки лет назад отмечал: переключение Сахары и пустынь Центральной Азии из нынешнего сухого в будущий влажный режим скорее всего будет очень резким и быстрым. Оно может случиться за считаные десятилетия или даже годы.

Если люди будут не готовы к этому, не спланируют заранее строительство серьезных многометровых плотин, длиной в сотни и тысячи километров, их может ждать потеря огромных площадей и целых городов, вроде той же Астрахани. Возможно, наше игнорирование уроков плиоцена движет человечество именно в этом направлении.