Эффект Аррениуса 2

Окончание главы "Эффект Аррениуса" (https://aftershock.news/?q=node/748067)

Модель Аррениуса была «полуторамерной» (1.5D): в качестве первого измерения использовалась широта местности, а время – половинка второго измерения – оценивалось в пределах четырёх сезонов одного года. Теплоёмкость атмосферы, поверхности суши и воды в океанах, а также плавление/замерзание льда не учитывались совсем. Перемешиванием атмосферы и гидросферы вследствие ветров и океанических течений тоже пришлось пренебречь. Температуры за полярным кругом Аррениус в таблице не приводит, так как в январе на Северном полюсе (и в июле на Южном) по формулам Аррениуса выходит -270°Ц. Модель Каллендара – чисто одномерная (1D) – распределение поглощения в атмосфере от высоты над уровнем моря. Модели Будыко и Селларса – двумерные (2D): зависят от широты местности и геологического времени.

Современные климатические модели – четырёхмерные (4D): например, модель GISS¹ включает долготу, широту, высоту над уровнем моря (а также температуру нескольких слоёв воды в океане) и время. Чтобы что-то достойное посчитать за обозримое время, вам потребуется кластер на Linux, 88 процессорных ядер и по 1 Гб памяти на каждое ядро. Модель НАСА 1980 года превратили в коммерческий продукт и продают за 200 баксов², но без предоставления исходного кода. Как конкретно простая модель считает, понять невозможно, а благодаря развитому графическому пользовательскому интерфейсу запустить неполиткорректный сценарий, например, с повышенной облачностью, – затруднительно. Упрощённая российско-немецкая модель³ пока находится в разработке. Есть надежда, что код получится прозрачным, и его опубликуют.

Большинство исходных параметров в 4D моделях исследователи выбирают произвольно. Честные пишут: «я так вижу» или «нам так нравится». Кое-кто пытается обосновать выбор упражнениями в аристотелевской философии – простой ссылкой на авторитет: «Профессор Y в статье от 1994 года показал, что…»

Например, «солнечную постоянную» w_s мы можем измерить при помощи спутников, но сами измерения имеют абсолютную погрешность более ±3%, притом всего два спутника (ERBS и VIRGO) отработали более одного солнечного цикла (11 лет), а два полных цикла не работал ни один.

Количество солнечных пятен – мы наблюдаем их в телескопы, спутники не нужны, – снижается: на пике солнечного цикла 1979 года регистрировали до 250 пятен в месяц, в 1990 – 210, в 2001 – 170, в 2013 – около 110. Кто-то полагает, что ничего не будет, и вставляет в модель стабильное излучение Солнца 1361.5 Вт/м². Кто-то считает что в 2030 произойдёт нечто вроде минимума Дальтона (с 1790 по 1830 гг), когда на замёрзшей Темзе была ярмарка, а солдат Наполеона бил не только фельдмаршал Голенищев-Кутузов, но и генерал Мороз-Русский. Кто-то считает⁴, что наступит аналог минимума Маундера (с 1645 по 1715 гг) – и вообще снова Малый ледниковый период.

Накопление тепловой энергии в океанах и, соответственно, тепловое расширение воды – ещё одна проблема климатических моделей. Ниже представлена страшилка 2011 года от Джона «Консенсуса» Кука⁵:

Оказывается, с 1950 года уже 200·10²¹ джоуля накопилось! Во скока! Жуть. И не жуть совсем. Масса мирового океана 1.4±0.1·10²¹ кг. На каждый килограмм воды приходится, таким образом, по 140 джоулей, а теплоёмкость морской воды – 3'900 Дж/кг/°Ц. Вся шкала, снизу доверху – менее 0.04°Ц. Меня повышение глобальных температур на четыре сотые градуса – даже если бы у нас были инструменты, способные эти сотые доли замерить, – совершенно не пугает. Как вас?

Можно и иначе прикинуть. Пусть на 1°Ц прогревается лишь самый верхний слой океана. Нагрев на 200·10²¹ Дж – это 5.1·10¹⁶ тонн или 5.0·10¹⁶ кубометров морской воды. Площадь мирового океана – 3.612·10¹⁴ м², а толщина прогревшегося на один градус слоя – около 140 м. При этом график подразумевает, что мы знаем положение границы прогрева с точностью до пары метров по всей планете!

Прикинем, на сколько может подняться уровень мирового океана вследствие потепления климата. В ледовом щите Гренландии 2'850'000 км³ льда, или 2.6·10¹⁵ тонн. Площадь океанов Земли: 3.61·10¹⁴ м². Если весь лёд Гренландии расплавить, повышение уровня океана составит 7.2 м. Аналогично для Антарктики: 26'500'000 км³ льда, 24.3·10¹⁵ т. От разморозки получим 67.5 м. Повышение уровня моря вследствие термического расширения 1.332·10¹⁸ м³ морской воды при нагреве на 10 (целых десять) градусов Цельсия: 1,332·10¹⁸·207·10⁻⁶·10=2.8·10¹⁵ м³; делим на площадь выше, получаем 7.6 метра. Из-за увеличения гидростатического давления будет чуть меньше. Всего получается примерно 7.2+67.2+7.6=82 метра.

При самом ужасном скоростном потеплении воздуха на 10 градусов, потепление океана и плавление полярных шапок займёт не менее 10'000 лет, то есть запредельная скорость повышения уровня моря 82/10'000=8.2 мм в год, или 82 см в столетие. Заметит это разве что Бангладеш. Выжав кнопку «Паника» до упора, IPCC насчитала от 26 до 98 см с 2000 по 2100 годы ([32], стр. 1140)⁶. К чести учёных IPCC, там написано: «уверенность низкая». Политикам про «низкую уверенность» доложить забыли, а сказали просто: «Ну, максимум, метр!» Ал Гор, точно по Фрейду, превратил метр в 12 метров и затопил Нью-Йорк вместе с Новым Орлеаном.

Геологи Гору на слово не верят. Полярная шапка Гренландии пережила не менее 10 млн лет, или 100 раз по периоду такому же либо теплее нынешнего (например, Микулинский был на несколько градусов теплее нашего с вами голоцена, а уровень моря на 5 м выше). Ледник Антарктики – 34 млн лет, то есть более 300 циклов потепления/похолодания. Раз Гренландия и Антарктика до сих пор с нами, за них можно не волноваться. Окончательное расплавление обеих – вследствие перемещения материковых плит – ожидается не ранее 35'000'000 года от Рождества Христова.

Аналогично никто не может предсказать поведение в будущем вулканов, облачности, аэрозолей в верхних слоях атмосферы. Но самое главное, даже накопление углекислоты в атмосфере можно предсказать лишь приблизительно.

Непрерывно циркулируют конспирологические теории о связи между «Римским клубом», «Пределами роста» и деятельностью IPCC. Вот, к примеру, доктор-профессор экономических наук В.Ю.Касатонов⁷ пишет (выделение моё, орфография оригинала):

Наиболее яркий пример – раздувание гипотезы о глобальном климатическом изменении [sic!] (потеплении) в результате «парникового эффекта». А указанный эффект является следствием повышения концентрации углекислого газа в атмосфере планеты в результате выбросов этого газа промышленностью и транспортом. Сейчас трудно сказать, кто первый запустил в оборот такую версию. Но я прекрасно помню, что еще в начале 70-х годов эта версия имела статус «гипотезы» […] Римский клуб совместно с ООН и такими специализированными его органами, как ЮНЕП, ВМО и др., к 80-м годам прошлого столетия выработали [sic!] следующий план борьбы с надвигающейся угрозой климатической катастрофы[…] Об этой климатической афере и противодействии ей со стороны международного научного сообщества можно прочитать в материале «Глобальное потепление и озоновые дыры – наукообразные мифы» (http://www.vestnik.com/issues/98/1013/win/moldav.htm). Это интервью, данное членом-корреспондентом РАН Андреем Капицей, сыном того профессора Петра Капицы, который был членом Римского клуба.

Погрешности согласования единственного и множественного числа спишем на готовившего статью литнегра. Не знаю, насколько компетентен Касатонов в экономике. На кафедре международных финансов МГИМО, может, и принято нести отсебятину, а естествознание любит точность. Кто конкретно и когда конкретно придумал эффект Аррениуса – угадайте с трёх раз. Членом «Римского клуба» академик, нобелевский лауреат по физике Пётр Леонидович Капица (1894-1984) никогда не был; в клубе состоял его сын, доктор физ-мат наук, профессор Сергей Петрович Капица (1928-2012) – это старший брат доктора географических наук, членкора РАН Андрея Капицы (1931-2011). Ну и остальная статья – это бред об отрицании дарвинизма и жидких масонах пополам с рокфором Рокафеллером.

Что «Пределы роста» 1972 и 2012 годов финансировались «Римским клубом» – не секрет: там на титульных страницах написано. А вот с публикациями IPCC «Римский клуб» практически не связан⁸, и доказать несложно. В отчёте 1990 года IPCC использовала четыре сценария выбросов углекислого газа:

В сценарии A («если ничего не менять»), при незначительном повышении энергоэффективности хозяйства, энергетика остаётся в основном угольной. [Государственный и международный] контроль за содержанием двуокиси углерода недостаточен. Вырубка лесов продолжается до тех пор, пока не истощатся тропические леса; выбросы метана и оксидов азота в сельском хозяйстве ничем не ограничены. Отметим, что по выполненной Рабочей группой III сводке национальных прогнозов выбросы углекислого газа и метана к 2025 году получаются на 10-20% выше, чем в использованном нами модельном прогнозе.

В сценарии B структура энергопотребления смещается в сторону топлива с пониженным содержанием углерода, в частности природного газа. Достигается значительное повышение энергоэффективности хозяйства. Приняты меры для строгого ограничения выбросов углекислого газа; сведение лесов прекращается. Монреальский протокол выполняется в полном объёме.

Сценарий C аналогичен сценарию В. Дополнительно, во второй половине XXI столетия происходит переход к ядерной энергии и возобновляемым источникам энергии. Применение фторорганических соединений (фреонов) постепенно прекращается, а сельскохозяйственные выбросы углекислоты ограничиваются.

Сценарий D также аналогичен сценарию В, но предполагает ускоренный (уже в первой половине XXI столетия) переход к ВИЭ и ЯЭ, что значительно сокращает выбросы углекислого газа. Первоначально уменьшаются выбросы в промышленно-развитых странах. Строгое ограничение выбросов в промышленно-развитых странах в сочетании с умеренным ростом выбросов в развивающихся странах помогают стабилизировать концентрацию CO₂ в атмосфере. К середине XXI столетия [промышленные] выбросы углекислого газа уменьшаются до 50% от уровня 1985 года.

В 1990 году IPCC полагала выбросы CO₂ от сжигания ископаемого топлива на уровне 5.7±0.5 Гт углерода в год, плюс 1.5±1.0 Гт углерода в год от сведения лесов. «ВР» указывает для того же 1990 года (от сжигания ископаемого топлива) 5.9 Гт, а наш независимый расчёт из главы 9 (от сжигания ископаемого топлива и производства цемента) дал 6.3±0.6 Гт. Согласно отчёту IPCC, с 1750 по 1986 годы было выброшено 195±20 Гт углерода от сжигания ископаемого топлива и 117±35 Гт от сведения лесов. Наш независимый расчёт из главы 9 дал от за тот же период 209±20 Гт от ископаемого топлива и цемента. Сценарии IPCC рисует программа Chapter 18\Test_02_CO2_Emissions.py . Тонна углерода (то есть 3.66 тонны CO₂) в атмосфере соответствует 1.13 тонны нефтяного эквивалента⁹.

Уже в 1992 году экономистам в рабочей группе №3 стало ясно, что сценарий D не реализуются, так как к 2050 году группа №1 требовала снизить потребление ископаемого топлива до уровня 350 кг на душу в год. Достигнуть этого можно только двумя путями:

1. «Развивающиеся» страны перестают «развиваться» и за 20-30 лет скатываются к уровню жизни Чада и Сомали. «Развитые» страны уничтожают промышленность, проедают инфраструктуру и скатываются на тот же уровень жизни, но только помедленнее – лет за 60 или 70. Естественно, этот путь социально неприемлем.

2. Бешеное развитие ядерной энергетики и ВИЭ; промышленный термояд к началу XXI века. Этот путь хороший, годный, да только инженеры говорят, что такими темпами модифицировать энергетику немыслимо.

По результатам работы группы №3 IPCC приняла шесть сценариев выбросов углекислоты: 92a и 92b примерно соответствуют сценарию «А» 1990 года, сценарии 92c и 92d – близнецы-братья «C» и «B» соответственно, а чтобы напугать политиков неминуемой катастрофой, добавили сценарии разгульного потребления 92e и 92f. По состоянию на 2018 год неплохо реализуются сценарии A и 92b, а всё остальное уже можно списать на цифровую свалку.

Для сравнения малиновым цветом на графике показана оценка выбросов CO₂ из «Пределов роста». В 1972 году авторы исходили из ограниченных запасов ископаемого топлива и обещали пик добычи (по тройке «нефть-уголь-газ») примерно в конце первого или начале второго десятилетия XXI века. Программы Форрестера и Медоуза считались, и книга писалась ещё до нефтяных кризисов 1973 и 1979 годов, оттого к 2010 году абсолютные значения добычи из прогноза не совпали с реальными примерно вдвое. А вот время наступления пика ресурсов, вероятно, совпадает с предсказанием.

Почти поколение спустя, в 1995 году, учёные IPCC полагали запасы ископаемого топлива не бесконечными, но наверняка достаточными, чтобы наращивать добычу вплоть до конца XXI века. Никакого сокращения населения в моделях IPCC 1990-95 годов не было, а была полит-корректная демографическая модель ООН, с населением планеты между 13 и 17 миллиардами к 2100 году. Было бы странно, если бы климатологи IPCC – «климатического департамента ООН», если хотите, – вдруг вступили в спор с демографами из той же организации.

В динамической модели Медоуза 1972 года ограничение потребления ископаемого топлива наступает вследствие объективных причин – исчерпания экономических запасов. В моделях IPCC 1990 и 95 годов то же ограничение – простой волюнтаризм: все лидеры мира захотели и подписали международные соглашения не повышать температуру планеты на сколько-то градусов.

«Римский клуб» в самом деле выступает за ограничение рождаемости и контроль численности населения Земли. Только не говорите, будто он делает это посредством IPCC. Использовать карьерных бюрократов ООН для ограничения рождаемости в развивающихся странах – как поставить стаю волков на охрану крольчатника. Чем больше голодных ртов на Гаити и в Сомали – тем больше у бюрократа бюджет. «Римский клуб» выступает за ограничение сверхпотребления (потребл…дства) – этот мотив звучит чуть ли не в каждой книге, на средства клуба выпущенной. Насчёт того, что «Римский клуб» будто бы желает ограничить потребление и строительство инфраструктуры развивающихся стран, – попробуйте доказать ссылкой хотя бы на одну публикацию. Конспирологи отвечают обычно, что «настоящие» публикации клуба секретны, печатаются тиражом три с половиной экземпляра. Перед прочтением – сжечь. Прочитавшего – отравить. И так далее.

Реальность проще. «Римский клуб» представляет из себя всего лишь разновидность масонской ложи, только без фартуков, шпаг и наугольников. Состоят там люди обеспеченные и влиятельные: Михаил Горбачёв есть, а Васю Пупкина с раёна почему-то не пригласили. Да, члены клуба могут где-то перетереть с политиками, подкинуть идейку или наоборот – раскритиковать. Но на этом влияние клуба и кончается. У декабристов (тоже выходцев из масонских лож) были солдатики в подчинении, у Билла Гейтса – имеется рота сотня миллиардов долларов, а у «Римского клуба», кроме болтовни и трёх десятков неплохих книжек, средств давления нет. Оттого действующие политики на клуб обращают внимание только тогда, когда сильно захочется.

В 2000 году вышел специальный отчёт IPCC o сценариях выбросов углекислого и прочих «парниковых» газов¹⁰. Отличный пример, что будет, если бюрократов попросить высосать из пальца 600 страниц текста и дать под это «исследование» хороший бюджет.

Нафантазировали массу электронных таблиц. Выбросы 1990 года – 6.3 млрд тонн углерода – приняты за единицу. В 2100 году может быть как полный ноль, так и 65 млрд тонн. Если у климатологов из рабочей группы №1 попросить полное моделирование климата хотя бы для половины выдуманных экономистами сценариев, при современной мощности компьютеров на вычисления потребуется 30-40 лет – все коллеги обеспечены работой до конца научной карьеры. А главное, как бы ни пошли выбросы в реальном мире, всегда можно сказать: «Вот, зацените, в сценарии SRES-A1B4-v7.1bis мы именно это и предсказали!» Конечно, всю сотню сценариев климатологи подсчитать не успели. Обратимся к отчётам IPCC 2005 и 2013 годов, которые рисует программа Chapter 18\Test_03_CO2_Emissions.py. Малиновым показан базовый сценарий из книги Йоргена Рандерса 2012 года [18], подробно разобранный в главе 7.

В 2013 году IPCC заменила сценарии 2000 года на «Представительные сценарии накопления углекислоты» (Representative Concentration Pathways, RCP). Число в имени сценария – это дополнительная мощность солнечного излучения, поступающая в атмосферу из-за эффекта Аррениуса: например, «RCP2.6» значит «2.6 Вт/м²». Прогноз был расширен до 2200 года. Заметим, что все сценарии RCP стали удовлетворять условию Хабберта {8.2} – бесконечного роста больше нет, а есть пик добычи с последующим снижением. Сценарий RCP8.5 – просто дань уважения сценарию A1F из 2000 года и затраченному на моделирование бюджету. В 2013 году уже было понятно, что такие темпы увеличения добычи технически недостижимы.

Извлекаемые объёмы углеводородного топлива оценены в отчёте IPCC 2013 года[32] на странице 471. Числа получены из выполненной в 2006 году программы «Глобальная оценка запасов» (ГОЗ или GEA)¹¹. В отчёте IPCC использованы непривычные единицы: петаграммы углерода (PgC). Нас подобное не испугает. Мы знаем, что 1 PgC – это 10¹⁵ г или попросту 1 млрд тонн. Вслед за «ВР» можно пересчитать углерод в уголь, нефть и газ: это 0.92, 1.19 и 1.56 тонн нефтяного эквивалента соответственно.

Отчёт ГОЗ был, вероятно, политически нагружен, чтобы убедить инвесторов переключаться с каменного угля на «сланцевый» природный газ. Оценка 3P не включает уголь, который можно добыть вручную или методом ПГУ. Оценка по газу при этом увеличена за счёт теоретической прикидки ещё не разведанных запасов метан-гидратов. Заметим однако, что IPCC наконец-то осознала фундаментальное ограничение по ископаемому топливу.

Запасы (1P-3P)	В отчёте GEA 2006 г и расчётные значения	Пересчёт в млрд т и оценки в главах 13 и 14 этой книги
	PgC	Млрд toe†	Млрд toe
Начальные каменного угляa	446-541	400-500	400-2'600
Начальные нефтиb	173-264	200-320	280-400
Начальные природного газаc	383-1'135	600-1'770	230-460
Всего ископаемого топлива (URR)d		1'300-2'400	1'000-3'300 2P=1400
Добыто с 1750 по 2005 гг.	335-395	380-450
Добыто с 1830 по 2017 гг.			450-550
Остаточныеe на конец 2017 г		800-1'900 2P=1'000	500-2'800 2P=900
† Значения округлены до 10 млрд toe a Оценка GEA включает только уголь высоких рангов, годный к механизированной добыче b Оценка в этой книге включает в объём нефти газовый конденсат и LTO. c Оценка GEA включает в запасы газа конденсат, LTO и метан-гидраты. d Вероятностная оценка, полагая лог-нормальное распределение (по методу из главы 13) e Включая потенциальные не открытые.

Смена парадигмы произошла не только в головах учёных, но и в головах политиков. В 18-19 мая 2012 года в Кэмп-Дэвиде состоялось 38-е совещание «Большой восьмёрки». В отличие от других лет, совещание проходило в узком кругу, a наблюдателей, кроме Евросоюза, не пригласили. Среди обсуждавшихся вопросов было два: (1) сокращение выбросов «парниковых» газов от авиации, (2) – внезапно – сброс на открытый рынок нефти из стратегических хранилищ с целью снизить цены – а «Брент» стоил тогда около $110 за баррель с отскоками до $130. Освещавшие саммит журналисты чесали в затылке: как можно за завтраком дополнительные налоги на авиабилеты обсуждать, а за обедом – снижение цен на нефть? Взаимоисключающие параграфы? Оказывается, обсуждать не можно, а нужно. Добровольно-принудительное снижение числа авиапассажиров и снижение нефтяного ценника – взаимосвязаны.

Программа Chapter 18\Test_04_CO2_Emissions.py сравнивает оценочные запасы IPCC/GEA с нашими оценками из глав 13 и 14:

Сценарий RCP8.5 исчерпает извлекаемые запасы по оценке GEA ещё до 2100 года. Малиновые кривые – сценарии ERoEI и «Акулий плавник», рассмотренные в главах 15 и 16 этой книги. Общие антропогенные выбросы углекислоты близки к сценарию RCP4.5. Уровни CO₂ в атмосфере и глобальное повышение температур считает программа Chapter 18\Test_05_CO2_Accumulation.py

Максимальный «парниковый» эффект будет достигнут в 2070 году: от 1.0 до 2.7ºЦ выше значений «до индустриального периода» (с вероятностью 5-95%; наиболее вероятное значение +1.7º). К 2100 году повышение температур вследствие антропогенных выбросов углекислоты будет даже меньше: от 0.6º до 3.1º (вероятнее всего, 1.4º). К этому значению можно добавить не более 0.5º от выбросов других «парниковых» газов: метана и фреонов. Одновременно с повышением глобальных температур вследствие эффекта Аррениуса может произойти естественное изменение климата примерно на ±1º, как это уже происходило, например, с 1685 по 1725 гг. На фоне неопределённости оценки глобальных температур – не лучше ±0.5º – антропогенное влияние будет заметно, но мало значимо.

Можно высказать осторожную гипотезу, что «катастрофическое глобальное потепление» уже используется в современном обществе в качестве полит-корректного эвфемизма – заменителя понятия «исчерпание ресурсов». В XIX веке нельзя было сказать «господин X трахает госпожу Y». Говорили, что X и Y вместе «гуляют» или «читают романы». Примерно так же нельзя в XXI веке сказать: «нефть надо экономить, потому что надолго её не хватит». Следует говорить: «надо меньше нефти жечь, чтобы глобального потепления не было». А истощение ресурсов – до сих пор социальное табу. В следующий раз, как будете болтать за жизнь в баре, попробуйте упомянуть Пик нефти. Сколько собеседников вежливо отойдёт в сторонку?

А пока итоги главы:

• Первая работа о влиянии концентрации углекислого газа на климат выполнена Сванте Аррениусом в 1896 году, далее моделированием эффекта занимались с середины 1930-х.

• Удовлетворительной модели климата пока нет. Причина в малой величине эффекта – порядка 0.01-0.02ºЦ в год – и недостаточной точности глобальных климатических наблюдений (не лучше ±0.46ºЦ). Кроме того, нет хороших данных и по многим другим входным параметрам компьютерных моделей: солнечной активности, распределению снежного покрова и облачности, концентрации аэрозолей от промышленности и вулканов в атмосфере, и т. п. Численные модели климата имеют огромные погрешности, а аналитического решения систем уравнений тепломассопереноса нет и не предвидится. Если найдёте, вам сразу выпишут миллион долларов. Кроме шуток¹².

• Даже самый главный параметр – концентрацию углекислого газа – IPCC достоверно предсказать не может, так как до 2013 года использовались модели экономистов – «корнукопианцев», в которых запасы ископаемого топлива полагались практически неограниченными, а уровень добычи определялся исключительно численностью населения и потребительским спросом. Модели IPCC 1990-2007 гг не имеют ничего общего с «Пределами роста» 1972 года.

• Где-то между 2007 и 2013 годами в IPCC, вероятно, произошёл сдвиг научной парадигмы: в отчёте 2013 года моделирование выбросов CO₂ основано на оценке извлекаемых запасов ископаемого топлива. Используются значения GEA: от 1'300 до 2'400 млрд toe начальных извлекаемых энергоресурсов (угля, нефти и газа).

• Рассмотренная в главе 9 простейшая модель накопления углекислоты даёт повышение глобальных температур от 0.6 до 3.1ºЦ от уровня «до индустриального периода; существенного влияния на экономику такое повышение не окажет. ООН зря пугает нас миллионами «климатических беженцев». Десятки миллионов беженцев, похоже, произойдут, но не от климата, а от исчерпания природных ресурсов.

Удачи.