Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Рамки этой книги не позволяют нам во всех подробностях оценить климат Земли и рассмотреть модели, которые бы позволили сделать прогноз о его будущей эволюции. Климатическая система сложна, и нужно тщательно учитывать взаимодействие многих параметров. Основное ограничение в построении климатических моделей – относительная нехватка качественных данных, с помощью которых мы можем их проверить. Сведения о температуре, измеренной непосредственно, получены лишь за последние 140 лет, а об осадках, засухах, составе атмосферы и других важных факторах нам известно еще меньше. Безусловно, нам очень пригодились бы более подробные записи о климате минувших эпох, с которыми можно было бы сравнивать наши модели будущего. К счастью, наши историки-атомы дают нам множество таких данных, позволяя судить о том, что происходило миллионы лет назад. В этой главе они поведают свои истории. Но сперва мы ответим вот на какой вопрос: откуда берется весь дополнительный CO₂, попадающий в атмосферу?

Откуда взялся новый CO₂?

Прямые измерения содержания CO₂ в атмосфере начались в 1958 году⁶. За последние шестьдесят пять лет количество молекул CO₂ выросло с 315 на каждый миллион частиц воздуха до 420 миллионных долей (ppm), то есть стало на 33 % больше⁷. Из некоторых письменных свидетельств, о которых мы поговорим позже в этой главе, нам известно, что такие изменения происходили в далеком прошлом, задолго до появления человека: уровень CO₂ был и намного выше, чем в наши дни, и намного ниже. Так откуда же наша уверенность в том, что именно человеческая деятельность, в частности сжигание ископаемого топлива (и тропических лесов), стала причиной недавнего подъема? Может быть, это колебание вызвано теми же естественными механизмами, которые вели к значительным изменениям в прошлом? Как это уже стало привычным в наших исторических экскурсах, убедительные доказательства нам предоставят изотопы Углерода.

В главе 10 мы видели, что растения – это их пища, и большая часть того, что они едят, – это CO₂. Но подробный рассказ о фотосинтезе позволил нам увидеть, что они далеко не беспристрастны в еде, – поглощая молекулы CO₂ из воздуха и встраивая их в свои молекулы, они неохотно усваивают медленные и тяжелые изотопы ¹³C и ¹⁴C. В главе 8 мы также видели, как деревья (в основном C3-растения) становятся идеальным календарем для изучения прошлого: каждое годичное кольцо соответствует определенному году, а наша общая летопись уходит в прошлое почти на 14 000 лет. Соотношение ¹⁴C/¹²C в отдельных годичных кольцах позволило нам точно определить скорость образования радиоактивного изотопа Углерода и повысить точность радиоуглеродного датирования. А теперь настало время обратиться к соотношению стабильных изотопов ¹³C/¹²C и к соотношению ¹⁴C/¹²C, чтобы однозначно опознать источник растущей концентрации CO₂ в атмосфере.

Поскольку ¹³C и ¹²C – стабильные изотопы и общее количество каждого из них в окружающей среде постоянно, то можно ожидать, что соотношение ¹³C/¹²C в куске старой древесины будет таким же, как и в современном живом дереве. И действительно, если изучить годичные кольца деревьев и аналогичные годичные кольца кораллов возрастом от тысячи и более лет, то мы увидим, что соотношение ¹³C/¹²C остается неизменным и составляет более 1 части на 10 000, – примерно до 1800 года.

Промышленная революция конца XVIII – начала XIX века ознаменовала появление нового крупного источника выбросов CO₂ в атмосферу – сжигания ископаемого топлива. Сначала, в последние десятилетия XVIII века, жгли уголь, затем, в 1820-х годах, – природный газ, а потом, в 1860-х годах, – нефть, благодаря чему произошел взрывной рост обрабатывающей промышленности и производства стали, создавших современный мир. Все эти три вида топлива производятся из материала растений (а также небольшого количества водорослей и планктона), существовавших в период от 360 до 66 миллионов лет назад (см. гл. 12). Как и их современные сородичи, древние С3-растения, произраставшие густыми лесами, избирательно относились к поглощению ¹³CO₂, вследствие чего в их ископаемых останках наблюдается низкое соотношение ¹³C/¹²C. Сегодня мы ежегодно сжигаем около 40 миллиардов тонн этих древних растений с дефицитом ¹³C, а значит, общее соотношение ¹³C/¹²C в атмосфере должно снижаться.

И именно это мы видим, когда анализируем соотношение изотопов в старой древесине. Начиная примерно с 1800 года содержание ¹³C в атмосфере неуклонно снижается, и темпы этого снижения ускоряются по мере того, как мы используем все больше ископаемого топлива. Доиндустриальный уровень содержания CO₂ в атмосфере составлял 280 частей на миллион, тогда как сегодня он составляет 420 частей на миллион – иными словами, он возрос на 50 %. Между тем соотношение ¹³C/¹²C снизилось на 0,22 % с 1750 года по настоящее время из-за выброса молекул топлива, обедненных ¹³C⁸.

Откуда нам известно, что дело в ископаемом топливе, а не в современных растениях? Они также избирательно поглощают ¹³C, поэтому, когда они умирают и/или сгорают, они также выделяют в атмосферу CO₂, обедненный изотопом ¹³C. Ответ на этот вопрос нам дает еще более тяжелый изотоп ¹⁴C. Поскольку он движется медленнее, чем¹³CO₂, вероятность попадания ¹⁴CO₂ в молекулы растений еще меньше. Но, как мы видели в главе 8, в них достаточно радиоактивного изотопа, чтобы с его помощью мы могли определить пределы колебаний в скорости его образования и установить возраст ¹⁴C. Однако возраст самых молодых видов ископаемого топлива составляет 66 миллионов лет. Это означает, что прошло 66 000 000 лет/5 731 год = 11 518 периодов полураспада: таким образом, в ископаемом топливе не осталось никаких атомов ¹⁴C. Поскольку мы наблюдаем резкое снижение содержания ¹⁴CO₂ на 4 % за десятилетие, становится очевидным, что новый CO₂ в атмосфере поступает из источника, гораздо более бедного ¹⁴CO₂, чем современные растения.

К сожалению, из-за небольшого осложнения мы не можем сделать этот вывод на основе непосредственных наблюдений, отчего нам и приходится обращаться к моделям. В главе 8 мы уже говорили о том, что испытания ядерного оружия, проходившие с 1950 по 1963 год, привели к огромному выбросу ¹⁴C по всей планете, и первоначально весь он находился в атмосфере. Этот искусственный избыток ассимилировался растениями, почвой и океанами на протяжении шестидесяти последних лет, поэтому количество ¹⁴С неуклонно снижается до фонового уровня. Когда эта книга выйдет в печать, мы как раз пройдем границу, которая наблюдалась в 1950 году. Тогда уровень уже был ниже, чем до начала Промышленной революции – из-за того, как много ископаемого топлива мы потребили до этого срока, – и подсчеты показывают, что резкий подъем ¹⁴C, вызванный ядерными испытаниями (бомбовый эффект), сократился до нескольких процентных пунктов от первоначального значения, а к 2030 году он полностью исчезнет, после чего снижение, вызванное сжиганием ископаемого топлива, будет продолжаться примерно на 3,5 % за десятилетие⁹.

Столь высокие темпы снижения невозможно объяснить умеренной избирательностью, с которой современные растения поглощают ¹⁴С. Причиной может стать лишь то, что в атмосферу добавляется CO₂, полностью лишенный этого радиоактивного изотопа, – иными словами, его источником оказываются давно умершие растения в ископаемом топливе, и деятельность человека однозначно меняет химический состав атмосферы Земли.

Температуры со времен последнего ледникового периода

Мы уже говорили о том, что климатическая система сложна, и если мы хотим расширить свои скромные записи о климате прошлого, где пока что зафиксированы лишь события минувшего века, то нам необходимы заменители термометров и гигрометров, которыми мы не располагали ни тысячу, ни десять тысяч, ни сто тысяч лет тому назад. Один из лучших индикаторов, позволяющих нам изучить всю историю человеческой цивилизации, – это соотношение изотопов в древесных кольцах.

Как мы отмечали в главе 8, годичные кольца представляют собой идеальный календарь. При помощи живых и давно умерших деревьев нам удалось построить полную летопись, охватывающую период от 13 900 лет до конца последнего ледникового периода. Самый простой показатель климата – это ширина кольца: как правило, чем оно шире, тем лучше условия роста в соответствующем году (более высокие температуры, достаточное количество воды – хотя есть и предостережения, о которых мы еще упомянем). В качестве показателя часто служит и плотность древесины, но прямой подсчет атомов в каждом кольце позволяет получить больше количественных данных. Отбирая образцы древесины из кольца, соответствующего нужному году, мы можем использовать стабильные изотопы Кислорода, Углерода и Водорода и с их помощью определить температуру и интенсивность осадков, – как если бы в том месте, где росло это дерево, у нас была небольшая метеостанция, записывающая эти числа на будущее.

Соотношение ¹⁸O/¹⁶O – основная величина, позволяющая нам определять температуру. Как и в случае с любым изотопным соотношением, о которых мы говорили прежде (C, N и т. д.), нам необходимо установить произвольный эталон. Здесь им служит так называемый Венский стандарт океанской воды (VSMOW)¹⁰ – образец, собранный в океане на глубине в несколько сотен метров, из которого удалены все соли и другие химические вещества. Значение для ¹⁸O/¹⁶O составляет 2005,2 ppm, или почти 0,20 %.