Способность СО2 нагревать поверхность планеты за счет поглощения инфракрасного излучения хоршо известна. Гораздо меньше внимания уделяется тому, насколько углекислый газ эффективен в поддержании парникового "каркаса" современного климата.

Вопрос о том, как климат изменился бы при совершенно свободной от СО2 атмосфере, был поднят недавно на слушаниях в подкомитете парламентского комитета по науке и технологии. Ответ был дан ученым из Массачусетского технологического института доктором Ричардом Линдзеном, который утверждал, что в этом гипотетическом случае результатом было бы глобальное похолодание примерно на 2,5 градуса, вероятно Цельсия ( см. здесь, примерно 47 минут видео). Доктор Чичероне, который также там присутствовал, выразил несогласие, но не представил своего варианта ответа.

Возможно, Линдзен на слушаниях просто дал оценку "с потолка", но вопрос тем не менее интересный, поскольку обещает возможность рассмотреть отдельные составляющие парникового эффекта.
По наивности можно предположить, что удаление всего СО2 из атмосферы привело бы к изменению температуры, сходному с тем, что получается при удвоении СО2, но с обратным знаком. Даже без учета комплексной природы обратных связей такое предположение все равно ошибочно. Радиационное воздействие от изменения СО2 пропорционально логарифму его концентрации, так что эффект от его полного удаления гораздо больше, чем от его удвоения. Фактически, если речь идет об очень малых количествах СО2 (порядка нескольких частей на миллион), изменение в радиационном воздействии даже быстрее логарифмической зависимости, поскольку открывается новое окно прозрачности в центральном 15 микронном диапазоне, в котором Земля сильно излучает (по сходной причине изменение количества метана часто называют "более сильным фактором, чем СО2", что верно только при сравнении "молекула против молекулы" в современной атмосфере, поскольку метан растет от намного меньших фоновых концентраций. Сам по себе метан не имеет свойств, дающих ему преимущество, и в сравнении с СО2 при равных исходных условиях оказывается даже худшим по своим парниковым свойствам).

Даже эти количественные соображения могли бы привести Линдзена к лучшей оценке чем его 2-3 С,  явно недостаточные даже при абсолютно нейтральной обратной связи. Это чисто количественные соображения, однако, а чтобы лучше справиться с вопросом, необходимы модели радиационного переноса, способные адекватно воспроизводить атмосферу без парникового эффекта, не выходя при этом за границы своей применимости. Первый вопрос, который можно задать на этом этапе - какую часть общего парникового эффекта обеспечивает СО2? Это зависит от того атмосферного "фона", на котором действует СО2, поскольку перекрывающееся поглощение с молекулами других газов дает цифры, отличные от тех, что получаются для молекул СО2 самих по себе, даже в тех же самых концентрациях. Если сделать такие расчеты с перекрывающимся поглощением, как показал Schmidt и др. (2010), доля СО2 составит около 20% нынешнего парникового эффекта. Энергетически парниковый эффект может быть определен как:

где Ts и Te температуры поверхности и излучения соответственно,σ это постоянная Стефана-Больцмана. Отсюда следует, что СО2 сам по себе дает около 30 Вт/м2 радиационного воздействия, много больше, чем ~4 Вт/м2 от удвоения в современном климате. При той же чувствительности климата, оценка Линдзена минус 2,5 С для воздействия -30 Вт/м2  означала бы, что текущее удвоение СО2 подогреет планету всего на треть градуса в равновесии, что далеко за пределами оценок IPCC и очень мало даже по меркам скептиков.

Далее мы должны включить в наше рассмотрение обратные связи, чтобы лучше почувствовать, как именно действует природа. Часто можно слышать как нечто рутинное, что "водяной пар является самым важным парниковым газом". Это верно в том смысле, что он создает большую часть инфракрасной непрозрачности атмосферы (~50%), облака дают еще 25%, но поскольку он конденсируется при типичных на Земле температурах, время его жизни в атмосфере очень мало, он проходит цикл испарения, конденсации и выпадения в виде осадков. Эта зависимость от температуры при давлении насыщения делает водяной пар обратной связью. Другими словами, неконденсирующиеся парниковые газы (главным образом СО2, только 5% парникового эффекта обеспечивают озон, метан, N2O и др.) являются "самыми важными", поскольку они обеспечивают потепление достаточное, чтобы послужить "каркасом", на котором парниковый эффект водяного пара может стать достаточно устойчивым.

Было предпринято несколько исследований, в которых рассматривалась эволюция климатической системы без СО2 в атмосфере. Такие эксперименты описаны, например, в Pierrehumbert и др. (2007) или в Voigt и Marotzke (2009). Из них следует, что при существенном снижении СО2 можно превратить землю в ледяной шар. Значительное уменьшение водяного пара и увеличение альбедо поверхности играют роль важных обратных связей, показывая, что удаление неконденсирующихся парниковых газов (в основном СО2) из атмосферы может почти полностью уничтожить парниковый эффект над сушей. Более того, из-за существенного роста альбедо можно признать парниковый эффект дающим более 33 K потепления по сравнению с температурой излучения Земли как абсолютно черного тела. В эксперименте Lacis и др. (2010) удаление СО2 из атмосферы дает похолодание около 30 С, на порядок больше, чем в ответе Линдзена.

Рис. 1 Изменение температуры поверхности, излучения Земли, водяного пара, альбедо Земли, морских льдов и облачного покрова после удаления всех неконденсирующихся парниковых газов. Из Lacis и др. (2010)

Почему вообще мы рассматриваем эту гипотетическую ситуацию? Кроме Линдзена, есть несколько интересных приложений для ситуаций с тусклым солнцем или низким уровнем СО2. Поводом для беспокойства в случае с "большими" изменениями климата (т.е. на уровне Земли как ледяного шара или лавинообразного потепления) является возможность бифуркаций (грубо говоря, точек неустойчивости) в системе. Удаляя СО2 из атмосферы можно запустить процесс перехода в состояние ледяного шара, при этом потребуются экстремально высокие уровни СО2 (много выше первоначальных), чтобы выйти из этого обледенения. Скептик мог бы заметить, что по крайней мере это способ получить планету с высокими уровнями СО2 и притом с нерастаявшим льдом. Действительно, как именно избежать состояния ледяного шара, это один из больших неразрешенных вопросов климатологии. Но если вы вышли из статуса ледяного шара, вы останетесь с очень жарким климатом до тех пор, пока выветривание не сможет снизить уровень СО2 до умеренных значений. Ниже показан (из Pierrehumbert и др., 2011) набросок бифуркации температуры как функции содержания СО2 в атмосфере, с меньшим солнечным излучением, чем современное (работа представляет собой обзор неопротерозойского климата). Можно построить сходного типа диаграмму в функции от входящего коротковолнового излучения, но в любом случае присутствие обратной связи альбедо делает возможным множественные решения для температуры, даже при одних и тех же значениях входящего солнечного излучения и парникового эффекта. Например, если сейчас Земля вдруг волшебным образом покроется льдом, эта ситуация станет стабильной и не будет тенденции к выходу из нее, если только парниковый эффект существенно не усилится, или солнце не засветит ярче. Это большая проблема в изучении обитаемости планеты, особенно если планета уже впадала в состояние ледяного шара ранее в своей истории, когда солнце было тусклее. Однако как только лед начинает таять, температура стремительно прыгает к очень горячему решению.

Уместно упомянуть о недавней работе Rosing и др. (2010), авторы которой намерены показать, что парадокс "тусклого солнца" можно решить за счет низкого альбедо, а не за счет существенно увеличенного парникового эффекта. Эта работа интересна, она является примером хорошего научного скептицизма, в том смыле, что авторы предлагают новую идею в области, открытой для исследования. Идея, впрочем, проблематическая, так как даже при неопротерозойской инсоляции сваливание в состояние ледяного шара происходит при троекратном превышении нынешнего уровня СО2, и ситуация еще хуже для инсоляции эпохи ранней Земли, которая на 20-25% ниже нынешней. Не существует механизма настройки альбедо таким образом, чтобы компенсировать температурные изменения, в то время как медленный термостат силикатного выветривания действует как отрицательная обратная связь для концентраций СО2 и температуры на геологическом масштабе времени.

Рис. 2 Диаграмма бифуркации для нуль-мерной модели энергобаланса. Вычисления сделаны для L=1285 Вт/м2. Для удельных давлений СО2 до примерно 1000 Ра они могут быть преобразованы в соотношение компонентов в объемных частях на миллион (ppmv) умножением на 6,6. Концентрации СО2 на верхней горизонтальной оси даны в долях (напр. 0,0065 соответствует 6500 ppmv). Вертикальные пунктирные линии, помеченные как "Left" и "Right" указывают левую и правую границы петли гистерезиса для альбедо льда 55%. Взято из Pierrehumbert и др., 2011

Линдзен отстаивает относительно нечувствительную климатическую систему в прошлом, приняв которую трудно объяснить размах больших климатических перемен прошлого, простирающихся от состояния ледяного шара, PETM, циклы оледенений-межледниковья и т. д. Утверждать, что климат охладится всего не 2.5 градуса при полном удалении из атмосферы СО2 означает в действительности брать цифры "с потолка" и игнорировать ряд работ на эту тему, показывающих другое. Напротив, есть доказательства, что СО2 является краеугольным камнем парникового эффекта над поверхностью суши, как вследствие поглощения вблизи пика эмиссии Земли, так и потому, что он позволяет Земле быть достаточно теплой, чтобы поддержать мощный парниковый эффект водяного пара.

Ответ написан Chris Colose. Последнее обновление 14 мая 2011 г.