Углекислый газ греет планету: это посчитали в 1896 году и забыли

О глобальном потеплении принято думать как о тревоге конца XX века, которая родилась вместе с компьютерами и спутниками. На самом деле главный расчёт сделал шведский химик в 1896 году с карандашом в руке. Он получил цифру, удивительно близкую к сегодняшним оценкам. А потом его идею почти на полвека сочли ошибкой, и это, пожалуй, самая поучительная часть истории.

Воздух оказался не прозрачным для тепла

В 1824 году француз Жозеф Фурье заметил странность. Если посчитать, сколько тепла Земля получает от Солнца и сколько отдаёт в космос, планета выходит заметно холоднее, чем есть. Фурье предположил, что атмосфера работает как стекло над грядкой: пропускает свет внутрь и придерживает тепло.

Проверили это экспериментом. В 1856 году американка Юнис Фут наполнила стеклянные цилиндры разными газами и выставила их на солнце: цилиндр с углекислым газом нагрелся сильнее остальных и дольше остывал. В 1859 году в Королевском институте в Лондоне Джон Тиндаль точно измерил: азот и кислород, из которых почти целиком состоит воздух, пропускают тепловые лучи свободно, а водяной пар и углекислый газ их поглощают.

Выходило, что климат держится на газах, которых в воздухе доли процента. Без них средняя температура Земли была бы около −18 °C вместо нынешних +15. Оставался вопрос, который никто не решался посчитать: насколько изменится климат, если этих газов станет больше или меньше.

Аррениус целый год считал климат вручную

Сванте Аррениус из Стокгольма взялся за расчёт не из-за угля, а из-за льда. Геологи уже знали, что когда-то Скандинавия лежала под ледником, но не понимали почему. Аррениус проверял простую мысль: может быть, в те эпохи в воздухе было меньше углекислого газа.

Компьютеров не было. Он взял измерения американца Сэмюэла Лэнгли, который ловил инфракрасное излучение Луны, прошедшее сквозь разную толщу атмосферы, и по ним оценил, как газ поглощает тепло. Дальше были тысячи вычислений для разных широт и времён года. В 1896 году вышла статья с ответом: если углекислого газа станет вдвое меньше, Европа остынет на 4–5 градусов, и этого хватит для ледника. Если вдвое больше, планета нагреется примерно на 5–6 градусов.

Коллега Аррениуса, геолог Арвид Хёгбом, подсказал ему, что фабрики уже выбрасывают в воздух углекислый газ, сжигая уголь. Аррениус решил, что удвоение займёт тысячи лет, и даже радовался: северным странам потепление казалось подарком. Он ошибся в скорости. А вскоре научный мир решил, что ошибся он вообще во всём.

Один опыт в трубке похоронил идею на сорок лет

В 1900 году физик Кнут Ангстрем поручил ассистенту простой опыт: пропустить тепловые лучи через трубку с углекислым газом, а потом уменьшить количество газа. Поглощение почти не изменилось. Вывод казался очевидным: газ уже поглощает всё, что может, и добавлять его бесполезно. Расчёт Аррениуса отложили в сторону.

Ошибка пряталась в высоте. Земля отдаёт тепло в космос не от поверхности, а из верхних слоёв воздуха, где газ становится достаточно разреженным, чтобы излучение уходило наружу. Это похоже на горы: чем выше, тем холоднее. Лишний углекислый газ поднимает эту «форточку» выше, в более холодный воздух, а холодное излучает слабее. Чтобы снова сравнять приход и расход тепла, внизу должно потеплеть. В лабораторной трубке у земли этого не увидеть.

В 1938 году британский инженер Гай Каллендар собрал метеосводки и заявил, что потепление уже идёт. Его слушали вежливо и скептически. Нужны были прямые измерения самого газа.

Кривая с вулкана подтвердила расчёт из Стокгольма

В 1958 году Чарльз Килинг начал измерять углекислый газ на вершине гавайского вулкана Мауна-Лоа, вдали от городов и заводов. Первое значение было около 315 молекул на миллион. До промышленной эпохи было около 280. Сегодня больше 420, и кривая растёт каждый год.

В 1967 году Сюкуро Манабе и Ричард Уэзеральд построили компьютерную модель атмосферы, которая учитывала ту самую высоту излучения. Удвоение газа давало около двух градусов потепления. За эту работу Манабе получил Нобелевскую премию по физике в 2021 году. Современная оценка для удвоения около 3 °C. Аррениус переоценил эффект, но попал в правильный порядок величины, а его опасение насчёт угля оказалось точнее его же оптимизма.

Читайте также: Беспорядок может только расти. Поэтому время не умеет идти назад

Та же физика работает в больнице и в офисе

Способность углекислого газа поглощать инфракрасный свет стала инструментом. Капнограф у постели пациента под наркозом светит инфракрасным лучом сквозь выдыхаемый воздух и по ослаблению луча видит, дышит ли человек. Дешёвые датчики качества воздуха в школах и офисах устроены так же. Тепловизоры смотрят в тех «окнах» спектра, где воздух не мешает.

Климатические модели сегодня считают на суперкомпьютерах, а нейросетевые модели погоды учатся на десятилетиях наблюдений. Честная оговорка: Аррениус не знал многого. Самое неясное и сейчас касается облаков, которые могут и усиливать потепление, и смягчать его, поэтому оценки дают диапазон, а не одну цифру. Но сам механизм с тех пор подтверждён и в лаборатории, и со спутников.

Представьте человека, который за год до первого автомобиля на улицах Стокгольма сел за стол и вывел, как изменится планета, если сжечь много угля. У него были только карандаш, лунный свет в чужих таблицах и законы физики. Этого хватило. Физика климата не новая тревога, а старое знание, которое просто долго не хотели проверять. Больше историй о том, как одна идея меняет взгляд на мир, читайте в разделе статьи.

Ещё в «Высоких технологиях»

Горы растут со скоростью ногтя. Так люди открыли глубокое времяБолото дубит кожу, как кожевник, но забирает у тела скелетГоды ускоряются не из-за часов. Их задним числом сжимает память

Все материалы раздела →