repead.ru 1

На основных направлениях научных исследований 70

ПРОШЛОЕ И БУДУЩЕЕ БИОСФЕРЫ

Член-корреспондент АН СССР М. И. БУДЫКО

В последние годы в связи с прогрессом наук о Земле возросли возмож­ности выяснения закономерностей эволюции биосферы. Эта проблема при­обретает сейчас большое практическое значение из-за постоянно возра­стающего влияния хозяйственной деятельности человека на экологиче­ские процессы.

Для понимания механизма эволюции биосферы весьма важно иссле­довать ее изменения в геологическом прошлом. Изучая биосферу как глобальную экологическую систему, следует учитывать, что единство этой системы в значительной мере поддерживается однородностью главных компонентов газового состава атмосферы.

Из основных составляющих атмосферного воздуха наибольшее значе­ние для живых организмов имеют кислород и углекислый газ. В свою очередь общая масса этих газов зависит от деятельности организмов. Современная атмосфера содержит сравнительно много кислорода (1,2-1021 г, или 21% объема) и значительно меньшее количество углекислого газа (0,002-1021 г, или 0,03%).

Кислород и углекислый газ атмосферы входят в биологический круго­ворот, в котором эти газы взаимодействуют с живыми организмами и про­дуктами их деятельности.

В биологическом круговороте кислород создается в процессе фотосин­теза автотрофных растений и расходуется при окислении органического вещества. Разность между приходом и расходом кислорода в биологиче­ском цикле соответствует массе органического углерода, который накапли­вается в осадочных породах. Величина этой разности в современную эпоху составляет всего около 0,015% от прихода кислорода в результате фото­синтеза '.


Изменение количества атмосферного кислорода за заданный интервал времени равно разности между его приходом, который определяется ба­лансом биологического круговорота, и расходом — главным образом на окисление различных минералов и газов, выделяющихся из земной коры.

1 См.: М. И. Б уды ко. Глобальная экология. Л., «Мысль», 1977.


Прошлое и будущее биосферы

71



Биологический круговорот углерода включает поглощение углекислого газа из атмосферы и гидросферы в ходе фотосинтеза, причем осиовная часть углекислого газа, получаемого автотрофяымя растениями, расходу­ется в различных биологических процессах. В значительной мере угле­кислый газ поступает в атмосферу и в гидросферу при вулканических извержениях; он расходуется главным образом при карбонатообразовании и частично в биологическом цикле.

А. Б. Ронов и А. Л. Яншин рассчитали изменение количества кисло­рода и углекислого газа в атмосфере в течение фанерозоя (то есть послед­них 570 млн. лет) по данным о составе осадочных пород (см. рис. 1). Как видно из графика, на протяжении почти всего фанерозоя концентрация С02 была значительно больше современной, достигая в девоне — карбоне 0,4%. Отметим, что максимумам концентрации углекислого газа соответ­ствуют максимумы и на кривой V, которая характеризует массу вулкано­генных пород, отложенных в течение миллиона лет. Это соответствие атмосферной углекислоты и усиление вулканизма способствовало росту означает, что вулканическая активность была существенным источником концентрации С02 в атмосфере.

Кривые (V 02" на рис. 1 показывают изменения массы атмосферного кислорода, рассчитанные двумя различными методами (в первом из этих расчетов предполагалось, что данные А. Б. Ронова о массе органического



На основных направлениях научных исследований 72


углерода в осадочных породах характеризуют основную часть его общего количества, во втором — было принято предположение о том, что эти дан­ные пропорциональны общему количеству органического углерода и со­ставляют малую часть его массы).

Хотя количественно кривые О/ и 02" заметно различаются, качествен­но они довольно сходны. Видно, что в фанерозое преобладала тенденция к увеличению массы кислорода в атмосфере. Однако рост количества кис­лорода был довольно неравномерным. Обращают на себя внимание два максимума на кривых 02. Первый относится к девону — карбону и сов­падает с распространением растений на суше, а второй — к юре — мелу. Во время первого максимума количество атмосферного кислорода дости­гало его современной массы, а при втором максимуме оно заметно пре­восходило эту величину.

Если колебания количества кислорода мало влияли на климат, изме­нения концентрации углекислого газа оказывали существенное воздейст­вие на климатические условия прошлого.

Результаты расчета2 зависимости средней для земного шара темпера­туры воздуха на уровне земной поверхности от количества С02 представ­лены на рис. 2. Видно, что удвоение концентрации С02 по сравнению с современной приводит к понижению средней температуры воздуха на несколько градусов. Дальнейший рост концентрации углекислого газа мало влияет на температуру воздуха. Из расчетов по различным моделям теории климата следует, что в высоких широтах влияние роста концентрации С02 на температуру проявляется гораздо сильнее, чем в низких. Если в результате роста массы С02 средняя глобальная температура повышает­ся на несколько градусов, то у полюсов она может возрасти на десятки градусов.

На протяжении фанерозоя до середины третичного периода концентра­ция углекислого газа была достаточно высокой; по сравнению с современ­ной эпохой в прошлом преобладал гораздо более теплый климат. Харак­терной чертой климата Земли в большей части фанерозоя было отсутствие полярных оледенений.


Во второй половине мелового периода началось уменьшение массы С02, причем это уменьшение было неравномерным и неоднократно сме-

2 См.: М. И, Б уды ко. Изменение климата. Л., Гидрометеоиздат, 1974.

Прошлое и будущее биосферы 73

нялось ростом количества углекислого газа. Наиболее крупное уменьшение массы С02 произошло в плиоцене, в результате чего современная концент­рация углекислоты достигла беспрецедентно малой величины, которая в несколько раз меньше минимальных концентраций эпохи фанерозоя. Существенное значение для эволюции атмосферы в конце фанерозоя, по-видимому, имело ослабление вулканической активности с конца мело­вого периода, что привело к уменьшению массы углекислого газа.

В олигоцене, а затем в плиоцене концентрация углекислого газа была менее 0,1%, в результате чего происходило понижение температуры воз­духа у земной поверхности. По-видимому, обеднение атмосферы углекис­лым газом наряду с изменением в строении рельефа привело к возникно­вению полярных оледенений. В четвертичное время площадь полярных льдов увеличивалась или уменьшалась в соответствии с периодическими количественными колебаниями радиации, приходящей летом в высоких широтах на земную поверхность под влиянием изменений положения зем­ной поверхности относительно Солнца. Это нашло отражение в смене лед­никовых и межледниковых эпох.

Палеогеографические данные показывают, что во время последних ледниковых эпох льды на суше и в океанах занимали большие пространст­ва, чем при четвертичных оледенениях. Возможно, такая закономерность отражает продолжавшееся убывание количества углекислого газа в атмо­сфере.

Существует гипотеза о том, что дальнейшая эволюция атмосферы могла бы привести в не очень отдаленном будущем (конечно, по геологическим масштабам) к полному оледенению Земли, то есть к гибели биосферы. Такое предположение основано на установленной в последние годы вы­сокой чувствительности термического режима атмосферы к изменениям притока тепла3. Эти исследования привели к выводу, что уменьшения притока тепла лишь на несколько процентов будет достаточно для распро­странения снежного и ледяного покрова на всю поверхность земного шара, после чего температура воздуха на всех широтах будет примерно соответствовать термическому режиму в центральных областях Антарк­тиды.


Изменение концентрации углекислого газа и кислорода в атмосфере оказывает существенное влияние на живую природу. Известно, что коле­бания количества С02 имеют большое значение для фотосинтеза автотроф-ных растений. Лабораторными и полевыми исследованиями установлено \ что современное содержание углекислого таза в атмосфере но крайней мере в десять раз меньше той концентрации, при которой достигается наивысшая продуктивность фотосинтеза. Уже давно было высказано пред­положение, что основные группы автотрофных растений сформировались в эпоху с гораздо более высоким уровнем содержания С02 в атмосфере. Это предположение полностью подтверждается проведенными расчетами, из которых следует, что на протяжении почти всего фанерозоя концентра­ция углекислого газа в атмосфере была значительно выше современной. Однако эта концентрация никогда не поднималась до того уровня, при котором у многих растений снижается продуктивность фотосинтеза.

Уменьшение массы углекислого газа в кайнозойскую эру, по-видимому, снижало продуктивность автотрофных растений, что должно было умень­шить общую массу живых организмов. Дальнейшее снижение концентра­ции С02 могло бы уменьшить фотосинтез до уровня расхода органического вещества автотрофных растений на дыхание и другие жизненные функ-

3 См.: М. И. Б уды ко. Изменение климата. Л., Гидрометеоиздат, 1974.

4 См.: Б. Рабинович. Фотосиптез, т. 2. М., Изд-во иностранной литературы,
1953.

На основных направлениях научных исследований

74


ции. После этого существование автотрофных растений стало бы невоз­можным. А так как автотрофные фотосинтезирующие растения являются источником энергии для подавляющего большинства живых организмов, гибель этих растений привела бы к прекращению существования биосферы в ее современной форме.

Изменения массы атмосферного кислорода оказывали влияние как на растения, так и на животных прошлого. Увеличение количества кислорода сверх определенного предела снижает продуктивность автотрофных расте­ний из-за увеличения расхода органического вещества на дыхание. В свя­зи с этим уменьшение массы кислорода, начиная с середины мезозоя, частично компенсировало снижение продуктивности, обусловленное умень­шением фотосинтеза, хотя эта компенсация была, видимо, неполной.


Известно, что изменения количества кислорода оказывают влияние на жизнедеятельность животных. Но большинство современных животных довольно легко переносят заметные колебания парциального давления кислорода, сравнимые с изменением его массы в течение фанерозоя. На­глядным примером тому является распространение многих, в том числе и позвоночных животных в горах до уровня 4—5 и более километров, где парциальное давление кислорода значительно понижено. Тем не менее при высокой чувствительности большинства экологических систем к срав­нительно малым изменениям внешних факторов происходившие в фане-розое колебания массы кислорода, по-видимому, оказывали влияние на эволюцию животных.

В связи с этим заслуживает, в частности, внимания вопрос согласова­ния времени появления животных, имеющих высокий уровень метаболиз­ма — млекопитающих и птиц — с увеличением концентрации кислорода в атмосфере. Возникновение млекопитающих в конце триаса совпало с эпохой повышения количества атмосферного кислорода; птицы, уровень метаболизма которых выше, чем у млекопитающих, появились в середине юрского периода, когда масса кислорода была максимальной.

Несмотря на ослабление фотосинтеза из-за уменьшения количества С02, количество кислорода в кайнозое менялось сравнительно медленно. В связи с этим происшедшее за последние 100—150 млн. лет уменьшение массы кислорода пока еще не угрожает существованию живых организмов (в отличие от возможных последствий уменьшения количества углекисло­го газа). Тем не менее обеднение атмосферы кислородом и углекислыу газом (по сравнению с серединой мезозоя) можно рассматривать как част] процесса, который мог бы привести к угасанию жизни на Земле. Не исклю­чено, что такое изменение состава атмосферы обусловлено ослаблением радиоактивного распада в литосфере, благодаря которому происходит на­грев и дегазация верхней мантии.

Современная хозяйственная деятельность человека полностью измени­ла характер эволюции атмосферы.


Предположение о том, что в результате сжигания больших количеств угля, нефти и других видов топлива количество углекислого газа в атмо­сфере будет увеличиваться, было высказано еще в первой половине нашего века. Однако только в 50-х годах в связи с проведением Международного геофизического года были начаты систематические наблюдения за атмо­сферной углекислотой, позволившие количественно оценить рост концент­рации С02.

Эти наблюдения показали, что наряду с заметным годовым изменением массы углекислоты (уменьшение концентрации летом в связи с усилением фотосинтеза) существует отчетливая тенденция роста концентрации ССЬ


Прошлое и будущее биосферы

75



от года к году. По данным станции в Мауна Лоа (Гавайские острова), за период с 1958 по 1968 гг. ежегодное увеличение концентрации угле­кислого газа составляло 0,64 • Ю-4 %.

Результаты, полученные в Мауна Лоа, согласуются с материалами ана­логичных наблюдений на Аляске, в Швеции и в Антарктиде. Учитывая, что эти наблюдения проведены в очень удаленных друг от друга районах земного шара, можно не сомневаться, что они правильно отражают су­ществующую тенденцию изменения концентрации атмосферной углекис­лоты.

Изменения количества углекислого газа в атмосфере, по наблюдениям на ряде станций, представлены на рис. 3.

Из полученных данных следует, что в атмосфере задерживается при­близительно половина С02, образующегося в результате деятельности че­ловека. Другая половина, по-видимому, поглощается океаном и, в меньшей степени, живыми организмами. Неясный до последнего времени вопрос о том, почему такая большая часть добавочного углекислого газа задер­живается в атмосфере, в значительной степени объясняется приведенными выше сведениями о химическом составе воздуха в прошлом, из которых следует, что на протяжении сотен миллионов лет концентрация С02 в ат­мосфере была значительно выше современной.


Механизм поглощения добавочной углекислоты водоемами и живыми организмами недостаточно изучен количественно. Хотя океаны потенци' ально могут поглотить значительное количество углекислого газа, факти­ческая скорость поглощения мала из-за медленного обмена между поверх­ностными и глубинными водами.

При увеличении концентрации углекислоты возрастает скорость фото­синтеза, однако образующееся при этом дополнительное количество орга­нического вещества через небольшой промежуток времени минерализуется, освобождая затраченный на его образование углекислый газ.


На основных направлениях научных исследований 76

Построение полной количественной теории, позволяющей учесть влия­ние буферных процессов в океане и в биосфере на изменение концентра­ции углекислого газа в атмосфере,— дело будущего. В настоящее время для этой цели можно использовать упрощенные схемы, примером которых служит численная модель, предложенная Л. Махтой 5. Из расчетов по этой модели следует, что за последние сто лет количество углекислого газа в атмосфере увеличилось на 0,0ио7о, то есть примерно на 10% от его совре­менной концентрации, и что основная часть этого увеличения приходится на последние десятилетия нашего века.

Из расчетов влияния концентрации углекислоты на температуру возду­ха у земной поверхности видно, что обусловленное хозяйственной деятель­ностью человека увеличение массы углекислоты повысило среднюю гло­бальную температуру у поверхности Земли на 0,3—0,4° С. Эта величина сравнима с теми колебаниями температуры, которые происходили в тече­ние последнего столетия.

Изучение физического механизма современных изменений климата показало, что на протяжении 40-х—50-х годов нашего века влияние роста концентрации С02 на температуру воздуха было компенсировано умень­шением прозрачности атмосферы для коротковолновой радиации в резуль­тате возрастания массы атмосферного аэрозоля, частично обусловленного хозяйственной деятельностью. В связи с этим до середины 60-х годов происходило медленное понижение средней температуры воздуха у земной поверхности.


Несколько лет тому назад было установлено, что после 1965 г. умень­шение прозрачности атмосферы прекратилось. Следовательно, можно было ожидать, что рост концентрации углекислого газа вызовет потепление. В связи с этим было обращено внимание на возможность сначала частич­ного, а затем, в не очень отдаленном будущем, полного таяния морских полярных льдов, что приведет к резкому изменению климата в умеренных и высоких широтах северного полушария6.

Данные, показывающие, что в последние годы началось потепление, были впервые получены в исследованиях группы советских ученых7. Ока­залось, что это потепление началось в конце 60-х и усилилось в начале 70-х годов.

Как и предполагалось, за последние годы резко возросло число засух в умеренных широтах северного полушария, причем засухи охватывают большие территории. Так, в 1973—1976 гг. ежегодно отмечались крупные засухи в Европе, Азии и Северной Америке, причем дважды (1972 и 1975 гг.) они распространялись и на территории нашей страны. Особо надо отметить крупнейшую засуху 1976 г. в Западной Европе, где подобное явление случается чрезвычайно редко.

Недавно получены данные, подтверждающие предположения об умень­шении за последние годы площади полярных льдов (см. рис. 4).

Вывод о прекращении похолодания был сделан в 1976 г. и американ­скими учеными. Так как вероятность возникновения глобального антро­погенного потепления, которое может иметь катастрофические послед­ствия, в последние годы обсуждалась в работах советских и зарубежных авторов, сообщения о начале потепления вызвали большой интерес. По этому вопросу были получены сообщения от климатологов различных стран, которые считают, что потепление характерно для обоих полушарий,

s См.: Непреднамеренные изменения климата. Л., Гидрометеоиздат, 1974.

6 См.: М. И. Б уды к о. Влияние человека на климат. Л., Гидрометеоиздат,
1972.

7 См.: И. И. Б о р з е н к о в а и др. Изменение температуры воздуха северного

полушария.- «Метеорология и гидрология», 1976, № 7.

Прошлое и будущее биосферы


причем в южном полушарии оно выражено сильнее, чем в северном. Этот вывод заслуживает внимания, так как он хорошо согласуется с современ­ными представлениями о физическом механизме изменения климата. Как известно, основная масса антропогенного аэрозоля содержится в атмосфе­ре северного полушария, и именно в этом полушарии проявляется главным образом взаимная компенсация влияния на температуру воздуха концент­рации углекислого газа и прозрачности атмосферы. В южном полушарии уменьшение прозрачности воздуха сравнительно невелико, чем объясня­ется более сильное потепление в этом полушарии.

Следует полагать, что климатические условия следующих десятилетий будут определяться дальнейшим ростом концентрации углекислого газа и колебаниями прозрачности атмосферы из-за изменения массы атмосфер­ного аэрозоля под влиянием как естественных причин, так и деятельности человека.

По расчетам Л. Махты, количество углекислого газа в атмосфере за период с 1970 по 2000 гг. увеличится на 15—20%. Исходя из этого, можно оценить изменение средней температуры воздуха в северном полушарии за тот же период. На рис. 5 кривая Т изображает изменение температуры,


На основных направлениях научных исследований 78"

обусловленное увеличением концентрации С02, а интервал между кривыми Ti и Тг характеризует возможные колебания температуры под влиянием изменения массы аэрозоля. Из сравнения кривой, изображающей изме­нения средней температуры по данным наблюдений, с расчетной кривой Т видно, что происходящий сейчас процесс потепления только частично мо­жет быть объяснен ростом массы углекислоты. Имеющиеся данные ука­лывают, что другая причина современного потепления — увеличение про­зрачности атмосферы.


Как показывают расчеты, через 5—15 лет наиболее вероятная положи­тельная аномалия температуры выйдет за пределы изменений температу­ры в течение периода инструментальных наблюдений, а это означает, что. климат конца XX века может резко отличаться от климатических условийг которые привычны современному человеку. Особенно большое значение-могут иметь состояние морских полярных льдов и предстоящие изменения влагооборота в атмосфере.

Возвращаясь к вопросу об эволюции биосферы, отметим, что, сжигая запасы угля и нефти, накопившиеся за сотни миллионов лет, человек с громадной быстротой восстанавливает химический состав древней атмо­сферы. Для достижения уровня концентрации углекислого газа конца тре­тичного периода (несколько миллионов лет назад) нужно всего несколь­ко десятилетий.

Происходящий сейчас процесс можно рассматривать как «омоложение» биосферы, то есть восстановление природных условий с жарким или теп­лым климатом на всех широтах, с отсутствием полярных льдов и высокой продуктивностью автотрофных растений, которая может поддерживать большую массу гетеротрофных живых организмов по сравнению с совре­менной эпохой.

Такое изменение природных условий было бы особенно важным для стран, территория которых находится в зоне холодного континентального климата, создающего большие трудности для развития сельского хозяйства и многих других видов хозяйственной деятельности.

Если бы возвращение к климатическим условиям третичного периода происходило достаточно медленно, этот процесс мог бы считаться благо-

Прошлое и будущее биосферы 79

•приятным для человечества. Но громадная скорость этого процесса созда­ет проблемы, решение которых может оказаться далеко не простым.

Уже неоднократно высказывалось мнение, что любое резкое изменение климатических условий на обширных территориях приведет к тяжелым экономическим последствиям из-за необходимости крупных капиталовло­жений для перестройки всех видов хозяйственной деятельности, зависящих от климата. Непреднамеренное изменение климата на огромных простран­ствах не может быть во всех случаях полезным для деятельности человека: в ряде районов такие изменения будут создавать большие или меньшие трудности.


Говоря о практическом значении происходящего сейчас потепления, следует подчеркнуть, что этот процесс может оказать на хозяйственную деятельность и благоприятное, и неблагоприятное влияние. Например, при потеплении улучшатся условия полярной навигации и облегчится освоение полярных районов. Потепление повысит продуктивность сельскохозяйст­венных культур в районах со сравнительно холодным и влажным клима­том, где увеличение вегетационного периода и рост суммарных температур в течение вегетации могут оказать существенное влияние на повышение урожая. Наряду с этим при потеплении уменьшится количество осадков во многих районах неустойчивого увлажнения, имеющих большое значе­ние для сельскохозяйственного производства. Уменьшение осадков отри­цательно скажется на балансе пресной воды и на уровне внутренних во­доемов.

Хотя детальная экономическая оценка последствий изменения климата в сторону потепления требует специальных исследований, надо думать, что общий итог этой оценки для ближайших лет не будет положительным. Это относится к процессу потепления, который начался в конце 60-х годов и будет продолжаться еще 5—15 лет в интервале тех изменений средней температуры воздуха, которые наблюдались при естественных колебаниях климата.

Дальнейшее развитие потепления может привести к очень крупным изменениям природных условий (в особенности при частичном или полном таянии морского ледяного покрова), влияние которых на хозяйственную деятельность оценить сейчас невойможно.

Рассматривая сложившуюся экологическую ситуацию, следует при­знать, что человечество столкнулось с совершенно новой проблемой, тре­бующей срочного изучения. Вероятно, неконтролируемое развитие про­цесса потепления приведет к глобальному экологическому кризису.

Одним из способов воздействия на климат является управление про­зрачностью атмосферы путем увеличения концентрации аэрозоля в ниж­ней стратосфере. Проведенные расчеты8 показывают, что этот метод мо­жет быть использован для предотвращения глобального потепления.


Вопрос о путях воздействия на климат — лишь одна из многочислен­ных проблем, которые рассматриваются в свете возможности антропоген­ного изменения тлобалъного климата. Глобальное потепление развивается около 10 лет, но за последние 5 лет оно уже нанесло значительный ущерб сельскому хозяйству многих стран. В самое ближайшее время должны быть найдены пути оптимального планирования хозяйственной деятель­ности в условиях происходящего изменения климата.

УДК 557.4

8 См.: М. И. Будыко и др. Климат и воздействия на аэрозольный слой стра­тосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1974.