Эффект Аррениуса

В предыдущей главе вы рассмотрели гипотезу антропогенного катастрофического изменения климата (ГАКИК), причём по оси времени откладывали периоды в тысячи и даже миллионы лет. С точки зрения «Пределов роста» – время громадное, a мы пытаемся, вслед за авторами бестселлеров 1972 и 2012 годов, выдать прогноз «всего лишь» до конца XXI века.

Даже о том, что происходило в науках о климате за последние 200 лет, сторонники ГАКИК честно писать уже разучились, приходится лезть в первоисточники.

Нам пишут, будто термин «парниковый эффект» был введён в оборот знаменитым физиком и инженером Жаном Батистом Жозефом Фурье (1768-1830) в статье 1827 года «Заметки о температуре земного шара и межпланетного пространства»¹. Фурье цитирует там эксперимент геолога и альпиниста Ораса Бенедикта де Соссюра (1740-1799):

Эксперимент состоит в том, что сосуд, закрытый одним или несколькими листами высокопрозрачного стекла, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, около полудня выставляется под прямые лучи Солнца[…] Термометры, размещённые в сосуде и в пространствах между пластинами, регистрируют степень тепла, приобретённого в этих полостях. В ходе различных экспериментов наблюдалось, что термометр в сосуде поднимается до 70°, 80°, 100°, 110° по шкале Реомюра или даже выше. Термометры, помещённые в промежутки между листами стекла, показывают намного более низкую степень приобретённого тепла, постепенно уменьшаясь от основания коробки до верхнего среза.

Фурье признаётся, что эксперимента сам не проводил. Температура в 110° Реомюра, то есть 137°Ц, представляется совершенно нереальной²; мои собственные замеры с использованием сделанной полукустарным способом духовки дают до 96°Ц градусов в безоблачный летний полдень при температуре воздуха (в тени) выше 25°. Подозреваю, что моя духовка не самая лучшая, оттого привожу данные с официального ресурса продвинутых энтузиастов³. Они получили на 7° больше.

Главное, правда, не абсолютная температура, а то, что между стёклами никто температур не измерял. Если бы это было сделано, де Соссюр с удивлением увидел бы, что добавление стёкол, при достаточном времени наблюдений, температуру во внутреннем сосуде практически не меняет! Первым, кто за 120 лет эксперимент де Соссюра решил проверить, был знаменитый физик Роберт Уильям Вуд (1868-1955; этот парень вообще был неподражаемый спец в области «повтори и опровергни»). Всё опубликовано⁴. На ошибках великих мы учимся и учим! Эксперимент Вуда легко воспроизводится в рамках лабораторного практикума по физике в средней школе, но вместо каменной соли сейчас используют акриловый пластик. Да, Вуд прав, а де Соссюр и Фурье – ошибались. Повторяйте классические эксперименты почаще!

Притом, эксперименты надо повторять, а не подделывать. В школах часто демонстрируют «парниковый эффект», выставляя на солнце две склянки с термометрами, в одну налит уксус с содой для выделения углекислоты. Школьникам вещают при этом, будто «повторили знаменитый эксперимент Тиндаля»⁵. Нифига не повторили. У Тиндаля (в 1860 году!) были в эксперименте: инфракрасный (ИК) фильтр, очистка газов от паров воды, контроль температуры газа, «склянка» длиною в пару метров ярдов, термопара с уникальным для того времени сверхточным гальванометром… А всё, что физичка своими градусниками доказала: «водяной пар имеет бóльшую теплопроводность по сравнению с сухим воздухом», да и то не количественно. Эффект поглощения/переизлучения в линейных размерах двухлитровой банки (скажем, 15 см) простым школьным термометром вообще зарегистрирован быть не может – от углекислоты там примерно 0.03 градуса разницы, остальное приходится на другие эффекты, например нагрев стенок вашей посудины ИК-излучением на десятки градусов Цельсия.

Во вранье замечены не только простые школьные физички, но и британские учёные. Доктор-профессор, сэр (то бишь рыцарь ордена Британской империи) Дэйвид Кинг вешал школьникам лапшу на уши с экрана «BBC»⁶. Американские сэры не отстают, хотя им слегка мешает отсутствие докторских степеней и британских орденов. С телеэкрана школьной учебной программы дуэтом лгали политик Ал Гор и «популяризатор науки» Билл Най.

Фурье никто критиковать не собирается – он отражал воззрения физики начала XIX века, например, совершенно пренебрегал конвекцией. Атмосферу Земли с парником учёный никогда не сравнивал, слóва «парниковый» (de serre) нигде не употреблял, про углекислый газ и химический состав атмосферы не писал ровным счётом ничего.

Первая модель с зависимостью глобальных температур от углекислоты в атмосфере, насколько научному сообществу известно, была выполнена в 1896 году⁷ химиком Сванте Августом Аррениусом (1859-1927, фото на заставке этой главы). К моменту, когда Аррениус писал свою статью, наука вперёд ушла, и статья Фурье уже представляла сугубо историческую ценность. Аррениус первый сравнил атмосферу с парником и приписал это сравнение Фурье: «Фурье считал, что атмосфера работает подобно стеклу парника, пропуская к земной поверхности видимые лучи Солнца и задерживая невидимые лучи, испускаемые этой поверхностью» (стр. 237). Но и сам Аррениус термин «парниковый эффект» (greenhouse effect) по отношению к атмосфере Земли тоже не использовал.

Фурье, Тиндаль и Аррениус были честными учёными XIX века и работали в рамках научной парадигмы своего столетия. Аппаратуры, способной удовлетворительно мерить поглощение в ИК-диапазоне, ещё не существовало. В докладе Тиндаля о поглощении в газах⁸ 36 страниц, из них 5 посвящено собственноручной намотке катушек гальванометра и встреченным при этом проблемам. Тиндаль со своим аппаратом доказал, что разные газы: кислород, азот, углекислота, сероводород, и так далее – поглощают свет немного по-разному. Несмотря на все усилия, точных числовых значений гениальный экспериментатор выдать не смог и оттого оценил качественно: «В малых концентрациях [то есть при пониженном давлении] углекислый газ поглощает примерно в 150 сильнее, чем та же концентрация кислорода. При нормальном атмосферном давлении поглощение чистой углекислоты примерно в 100 выше, чем у чистого кислорода» (стр. Е2). Таково было состояние экспериментальной физики того времени: скорость света образца 1862 года в эксперименте Фуко-Уитстоуна – 298'000±500 км/с; значение из 2018 года: 299'792.4580±0.0005. Во-первых, сравните заявленные абсолютные погрешности, а во-вторых убедитесь, что Фуко и погрешность своих измерений оценил слишком оптимистично: надо было писать «298'000±1% км/с». На аппарате Фуко точность лучше одного процента в принципе недостижима.

Аррениус использовал в своей работе значения светимости Луны, полученные в 1880-х астрофизиком Самюэлем Пирпонтом Ленгли (1834-1906). Чем выше Луна над горизонтом, тем меньшую толщу атмосферы приходится лунному свету пронзать – ну и далее математика. Математики было много, вычисления заняли около года. В результате Аррениус получил, что при сокращении концентрации CO₂ в атмосфере на одну треть (от 290 ppm во времена Аррениуса до 190 ppm), температура планеты понизится в среднем на 3.2ºЦ. Аррениус проверить экспериментом свои вычисления не мог, но мы, по данным скважины «Восток» и другим ледовым кернам, проверить вполне способны. Двадцать тысяч лет назад концентрация углекислоты была как раз 190 ppmv, а температура в Антарктиде – ниже на 9-11ºЦ. Раз в Антарктиде на 10º холоднее, по планете в среднем вполне может быть на три градуса ниже. Зачёт! У Аррениуса приполярные температуры изменяются сильнее, чем тропические. Тоже зачёт.

Однако есть и проблема: у Аррениуса в модели летние и зимние температуры снижаются в унисон: по 3.2ºЦ, различие в две сотых несущественно. Современные данные говорят, что при наступлении ледникового периода зимние температуры в умеренных широтах должны снижаться существенно быстрее летних, из-за снежного и ледового альбедо. Вычисление показано в предыдущей главе, формула {17.5}.

Теперь проверим в другую сторону.  При увеличении концентрации CO₂ на 50% Аррениус обещал потепление климата: в среднем по планете (исключая полярные широты) – на 3.4ºЦ, зимних температур – на 3.2, летних – на 3.4. Плюс пятьдесят процентов от уровня углекислоты времён Аррениуса – это 435 ppmv. По данным обсерватории Мауна Лоа (файл находится в Цифровом приложении), в 2018 году было 408.5 ppmv. Повышения глобальных температур на три градуса что-то не наблюдается. При удвоении концентрации углекислоты Аррениус насчитал в разных климатических зонах от 4.95 до 6.05ºЦ.

Если по чести, то термин «парниковый эффект» нужно заменить на «эффект атмосферного одеяла» («air blanket effect») или, ещё лучше, на «эффект Аррениуса» – по имени первого автора. Как доказал Вуд в 1909, и как сейчас может проверить каждый девятиклассник, физика разогрева поверхности Земли от поступления в атмосферу свободного углекислого газа к сельскохозяйственному строению класса «парник/теплица» (и к солнечным духовкам тоже) никакого отношения не имеет! Уравнения совсем другие; эффект на два порядка слабее.

О выбросах углекислого газа человеком Аррениус не упоминал, ограничившись геологией. Временной горизонт Аррениуса – тысячи или десятки тысяч лет. Критики отмечали, что попытка объяснить ледниковые периоды исключительно углекислотой неизбежно требует геологических катастроф. Например, извержение супервулкана вызывает огромный выброс углекислого газа, планета нагревается; затем растительность, кораллы и планктон за какое-то время потребляют углекислоту из атмосферы, и планета остывает, оставаясь в этом замороженном состоянии бесконечно, если только не случится новое извержение или столкновение с метановой кометой… Такая гипотеза имела право на существование в конце XIX века, пока не было бурения в Антарктиде и Гренландии, и геологи не знали про цикличность ледниковых периодов в 80-120 тысяч лет. Теперь катастрофические гипотезы вступают в противоречие с массой накопленных геологических наблюдений и замеров. Как минимум, вы должны найти следы четырёх катаклизмов, происходивших примерно 330, 240, 140, и 16±2 тысяч лет назад – это «геологическое вчера», там следов не обнаружено, хотя их интенсивно искали.

После статьи Аррениуса в теоретической климатологии возникло сорокалетнее затишье. В 1936 за дело принялся настоящий британский учёный инженер-теплотехник Гай Стюарт Каллендар (Callendar, 1898 – 1964)⁹. Каллендар первый указал на сжигание ископаемого топлива как источник «дополнительного» углекислого газа в атмосфере. Правда, по скорости накопления CO₂ инженер сильно ошибся: он полагал, что в 2000 году будет 335 ppmv, в 2100 – 396, в 2200 – 458. По факту 396 ppmv получилось в 2013 году, по состоянию на конец 2018 – уже 408, а 458 мы достигнем, согласно прикидкам из главы 9, где-то между 2040 и 2055 годами, опережая предсказание Каллендара на 150 лет. Винить инженера за ошибку нельзя: он не мог предсказать аппетиты цивилизации¹⁰.

На основании доступных в ту пору данных по спектральному поглощению углекислоты и водяного пара¹¹ Каллендар рассчитал повышение средних температур от концентрации CO₂ в атмосфере. График, подсчитанный на логарифмической линейке и нарисованный Каллендаром от руки, приводится ниже (я выполнил оцифровку и расставил точки).

Политический бомонд ГАКИК, превознося Каллендара за «открытие человеческого фактора» в области климата, как-то всё забывает сообщить читателям об абсолютной величине рассчитанного эффекта. Потепление у инженера, конечно, антропогенное, но вовсе не «катастрофическое». Снижение в ледниковых периодах: -1.2-1.8°Ц в среднем по планете, повышение температур с начала «индустриального периода» – не более 1 градуса. Все значения – примерно в 3-4 раза меньше, чем оценка Аррениуса.

Вот, к примеру, обзорная статья «Сравнение моделей Аррениуса и Каллендара с современными моделями климата» за авторством известного сторонника ГАКИК Фила Джонса (кстати, одного из ведущих персонажей «Климатейта») с соратниками¹². Формула Каллендара проста как грабли – во всех странах мира инженеров учат выражаться просто, но точно:

Если вы увеличили концентрацию вдвое, до 600 ppmv, должно получиться изменение температуры ровно на 1.5 log₂ 2 = 1.5°Ц. Логарифм по основанию два от двойки можно взять в уме, не правда ли?

Джонсу число «1.5» сильно не нравится, будто в известном мультике про прошлогодний снег: «маловато будет!» Начинаются камлания. Джонс не только совершает подлог, заменяя «1.5» на «1.58», но и маскирует число натуральным логарифмом, превращая коэффициент в «2.28». Следует откровенное забалтывание читателя (выделение моё): «уравнение показывает, что при нынешней концентрации углекислоты в атмосфере (около 400 ppmv), удвоение концентрации приведёт к росту температуры на 1.6=2.281n(2) градуса». А не при «нынешней»? Вот если бы в атмосфере было не 400 ppmv, а всего 218? Удвоение, как ни странно, приведёт к тем же 1.58° (ну или 1.50°, как в оригинале). Логарифм он такой вот логарифм! Демагогия в статье имеет простейшую цель: убедить читателя, что оригинал Каллендара читать не надо, а тем более не надо ничего читать с калькулятором в руках. Выдержки в таблице ниже – из статьи Джонса. Я преобразовал шаманские пляски с бубном к нормальному виду:

Согласно оценке Каллендара, с 1936 года по 2018 температура Земли должна была возрасти на 1.5 log₂(409/300) = ⅔°Ц. С начала «индустриального периода» – примерно с 1750 года по наши дни – 1.5 log₂(409/280) = ⅘°. Сравнение результата Каллендара с климатической базой Центральной Англии выполняется программой Chapter 18\Test_01_CE_Temperature.py

В качестве реальной концентрации CO₂ в атмосфере используются замеры обсерватории «Мауна Лоа» и анализ ледового керна скважины «Купол Ло»¹³.

В те достославные времена просто так в журналах не публиковали¹⁴. Это сейчас раздел «Обсуждение» пишут сами авторы, возражая заочным реальным либо даже вообще виртуальным воображаемым оппонентам. В 1936 году состоялся коллоквиум – официальный и очень очный – с участием Каллендара и королевских метеорологов: сэра (рыцаря ордена Британской империи и кавалера ордена Бани) Джорджа Кларка Симпсона, докторов Уиппла и Брукса, доктора-профессора Д. Бранта, и ещё десятка сотрудников меньшего калибра из обсерватории Рэдклифф. Каллендара уважительно послушали, а затем сообщили ему:

Сэр Джордж: многие не-метеорологи, пытающиеся заниматься проблемами погоды и климата, плохо понимают, что подсчётом только излучения рассчитать распределение атмосферных температур невозможно. Во-первых, атмосфера почти никогда не находится в состоянии термического равновесия, во-вторых, распределение температур зависит главным образом не от излучения, а от циркуляции […] Наконец, изменение за 50 лет [от эффекта Каллендара] не превышает тех изменений, что наблюдались ранее [когда углекислота не менялась]. Вероятно, мы имеем дело с естественной фазой изменчивости климата[…]

Профессор Брант: […] Изменение среднегодовых температур за последние 30 лет [то есть с 1906 по 1936 гг] – не больше, чем климатические изменения, проходившие во второй половине XVIII столетия, даже если принять во внимание недостаточную точность метеорологических инструментов того времени.

В Англии среднемесячные температуры более или менее надёжно мерили с 1659 года. Посмотрите внимательно на график выше и попробуйте угадать, отчего IPCC обрывает все свои графики слева 1750 годом или даже более поздней датой. Вопрос риторический, конечно. Если нарисовать данные с примерно 1680 по 1730 годы, «беспрецедентный рост документированных температур» внезапно становится «прецендентным», хе-хе! Причём данные эти получены на штучках, для измерения температуры как раз и предназначенных, – термометрами¹⁵, а не по годовым кольцам канадской пихты и не по компьютерным моделям.

Когда логарифмические линейки окончательно заменились электронными компьютерами, климатологи принялись интегрировать спектры поглощения, считать альбедо, конвекцию, испарение воды с поверхности и многие другие эффекты. Каждый делал прикидки на свой лад. Ситуацию 1975 года отлично обрисовал в своём мета-анализе американский метеоролог Стивен Шнайдер¹⁶ (одна из его таблиц представлена ниже). Критически проанализировав массу работ, он выдал собственную оценку: при удвоении концентрации углекислоты в атмосфере ожидаемое потепление от 1.5 до 3.0°К (или Ц), при средней оценке 1.7°.

Это всего на 0.2° выше оценки Каллендара, и мало кого пугало, оттого IPCC в первом отчёте подняло планку: от 1.9 до 4.5° при среднем 2.5°. Дальнейшая история «научного консенсуса» представлена в таблице.

Оценка	Потепление (°Ц) при удвоении концентрации CO₂	Потепление (°Ц) от уровня 1750 года при концентрации CO₂ 410 ppmv
Каллендар, 1938	1.5	0.8
Шнайдер, 1975	1.5-3.0	0.8-1.7
Чарни, 197917	1.5-4.5	0.8-2.5
IPCC, 1990	2.5 (5−95%: 1.9−5.2)	1.4 (5−95%: 1.1−2.9)
IPCC, 1995	2.5 (5−95%: 1.5−4.5)	1.4 (5−95%: 0.8−2.5)
IPCC, 2001	2.5 (5−95%: 1.5−4.5)	1.4 (5−95%: 0.8−2.5)
IPCC, 2007	Приводится обзор оценок в литературе: от 0.3 до 8.6 (!) При моделировании IPCC использован диапазон 2.1-4.4	При 0.3: 0.2 При 2.1: 1.2 При 4.4: 2.4 При 8.6: 4.7
IPCC, 2013	5−95%: 1.5−4.5 0.1−99.9%: 1.0−6.0	5−95%: 0.8−2.5 0.1−99.9%: 0.6−3.3
Льюис и Карри, 201818	1.66 (5−95%: 1.15−2.7)	0.9 (5−95%: 0.6−1.5)

Какие дискуссии велись в кулуарах IPCC, мы вряд ли узнаем с документальной точностью (кулуары на то и кулуары, что протоколов не пишут). Можно высказать гипотезу, что в 2007 году учёные из рабочей группы № 1 уже стеснялись использовать среднее 2.5° и тем более не могли обосновать максимальную оценку 4.5°, однако политический бомонд резонно указывал, что ниже 4.5° верхняя оценка быть не может, а то IPCC придётся распустить за ненадобностью. Отчёт 2013 года пошёл по пути наименьшего сопротивления: в качестве оценки процитировали… собственный отчёт 2001 года и привели предельные значения: «от менее 1 до более 6 градусов» – с вероятностью 0.1% («highly unlikely»).

Наиболее свежая – и вполне объективная – оценка сделана в статье Николаса Льюиса и Джудит Карри 2018 года: 1.66° (диапазон от 1.15 до 2.70). Не обладая данными спутников, не имея под рукой ледовых кернов «Восток» и «Купол Ло», до метеорологических наблюдений в Антарктиде и до морских ныряющих буёв, на логарифмической линейке и арифмометре, просто инженерным чутьём – и с толикой инженерской удачи – Гай Каллендар угадал значение с точностью около 10%.

Про «подделку» данных наземных и морских метеостанций не пишет в Интернете только ленивый, и доля правды есть. Желающие могут обратиться к объективному разбору погрешностей базы данных HadCRUT в кандидатской диссертации Джона Мак-Лина из австралийского университета им. Джеймса Кука¹⁹. Среди прочего обнаружено фривольное использование британскими учёными (тем же доктором Филом Джонсом) градусов Фаренгейта вместо градусов Цельсия, когда, к примеру, в Румынии погоды стоят по +80° (а потом осредняем!) Мы не обвиняем Джонса в намеренной подтасовке, просто выдача политкорректных результатов для университета Восточной Англии важнее, чем аккуратная работа с данными. Только нарисовалась в программе «правильная» кривая – перепроверка данных прекращается!

Административными мерами независимые измерения начали подгонять под дутый «консенсус». В мире существует две конторы, вычисляющие глобальные температуры по спутниковым данным: «Remote Sensing System» (RSS) и Центр климатических исследований при университете Алабамы в Хантсвилле (UAH, это там работают Кристи и Спенсер, про которых рассказывалось в главе 17). При расчётах RSS и UAH используются одни и те же спутники: «TIROS-N» (трудился на орбите с конца 1978 по 81 гг), «NOAA» с номерами от 6 (запущен в 1979) до 20 (по состоянию на начало 2019 года функционируют 15-й, 19-й и 20-й), «Аqua» (запущен в 2002) и тройка «MetOp» (первый запущен в 2006, последний в 2018). До 2016 года алгоритмы RSS и UAH взаимно подтверждали друг друга и шли на 0.2°Ц ниже данных метеостанций в базе данных GISSTEMP. В новой версии²⁰ сотрудники RSS стали бóльшими католиками, чем сам Папа римский²¹.

Обсуждение погрешностей метеонаблюдений крепко перемешано с политическим гуано, а подвижку аномалии обсуждать и смысла нет: систематическая ошибка просто от замены будки Стивенсона на новомодную автоматическую и очень компактную MMTS, любовно называемую у метеорологов «Mickey Mouse Temperature Station»²² может превышать пару градусов, а если ещё эту станцию пришурупить к южной стене полицейского участка, над закатанной асфальтом парковкой, да прямо под выхлопом наружней коробки кондиционера, глобальное потепление вас впечатлит.  На картинке ниже – две установки MMTS, которые NOAA официально считало «надёжными», пока их не сфотографировал Энтони Уоттс.

В университете Небраски на полигоне разместили десяток метеостанций разной конструкции, но с одним и тем же электронным термометром HMP45C и сравнивали наблюдения. Получилась разница 0.2°Ц²³. В реальных метеостанциях используются не только HMP45C, но и масса прочих.  В той же статье Патрик Франк подробно разбирает систематические погрешности морских буёв и других устройств, заключая, что вследствие непрерывного обновления, ремонта, модификации и замены оборудования мы не знаем – и не можем знать – аномалию глобальных температур с точностью лучшей, чем ±0.4° (одно стандартное отклонение).

Короче, серьёзно обсуждать, насколько потеплел климат Земли с 1750 года: на 0.918 градуса или на целых 1.376 градуса - могут только шарлатаны.  В реальности мы знаем величину повышения температур при удвоении концентрации углекислоты (по-английски ECS - Equilibrium Climate Sensitivity) с точностью не лучше ±40%.

Удачи.