Пророк антропоцена: как Пауль Крутцен помог возвысить и напугать человечество

Многие и сегодня не могут поверить, что человек — такое, в сущности, хрупкое и эфемерное существо — стал силой глобального масштаба, геологическим фактором, способным менять судьбу всей планеты. В середине XX века об этом рассуждали лишь философы, но несколько десятилетий назад был сделан ряд открытий, которые доказали, что человечество живет теперь в новую эпоху, в которой оно само действует на равных правах с силами природы. Гордиться этим, однако, не приходится, — мы делаем эту планету менее благоприятной для нас самих. Одним из тех, кто рассказал о могуществе человечества и о том, как это нам угрожает, был химик Пауль Крутцен, с которым мы простились на этой неделе.

Сложности с озоном

К концу 1950-х годов никаких особенных загадок, связанных с атмосферным озоном, в науке не было. Общепризнанной на тот момент считалась предложенная еще в 1930 году теория британца Сиднея Чепмена. Он считал, что озоновый слой находится в состоянии устойчивого фотохимического равновесия. Озон постоянно образуется при воздействии ультрафиолетового излучения Солнца на молекулярный кислород O₂, а разрушение происходит в результате рекомбинации атомарного кислорода и озона.

Все изменилось в 1957 году, который был объявлен Международным геофизическим годом. Ученые по всему миру запускали крупные исследовательские проекты: к геофизическому году был приурочен, например, запуск первого спутника, и именно в это время появилась первая глобальная сеть озонометрических станций. Эта сеть позволило значительно точнее описать пространственное распределение озона — как по горизонтали, так и по вертикали.

И тут стало ясно, что теория Чепмена соответствовала данным только в очень общих чертах и никак не помогала понять многочисленные детали и тонкости. В их числе, например, она не могла объяснить существенные вариации озона в циклонах, во внутритропической зоне конвергенции, в струйных течениях. К теории Чепмена добавили теория влияния водородного цикла, но она не разрешила проблему — в ней разрушение озона недооценивалось в нижней стратосфере и переоценивалось в тропосфере.

Человеком, который смог разобраться в этих противоречиях и неопределенностях, стал Пауль Крутцен, инженер по образованию, который в 1959 году начал работать в Стокгольмском университете, где в 1968 году защитил диссертацию на степень доктора философии (Ph.D.), а в 1973 году — работу на степень доктора наук (D.Sc.). И диссертации, и последующие работы 1970-х—80-х годов были посвящены атмосферному озону. Он исследовал каталитический цикл разрушения стратосферного озона окислами азота и в целом роль окислов азота в химических процессах в атмосфере, каталитический механизм образования озона в тропосфере, процессы активации хлора в стратосфере над Антарктидой.

Он сумел снять неопределенности прежних теорий, показав, что метан, соединения азота и хлора играют важнейшую роль в глобальном круговороте атмосферного озона. И уже в те годы он начал говорить о разрушительной роли человеческого фактора. В частности, он первым оценил масштаб экологической угрозы, связанной со сверхзвуковыми самолетами, которые летали на высотах около 18 километров. Сравнив интенсивность естественных источников оксидов азота в стратосфере с выбросами от таких самолетов, Крутцен показал, что озоновый слой начнет деградировать, если регулярно начнут летать лишь 500 сверхзвуковых самолетов.

Кроме того, Крутцен определил, как формируется озон в нижних слоях атмосферы, где этот газ крайне токсичен. Он описал фотохимический механизм образования озона, обусловленный каталитическим циклом с участием оксида азота и продуктов окисления метана и монооксида углерода, например пероксильный радикал HO₂ или CH₃O₂, и тем самым, по сути, разработал теоретическую основу для принятия мер по повышению качества воздуха в городах. Это в итоге привело к постепенному отказу от сжигания угля в городах, переходу на более чистое топливо для автомобилей.

Когда в 1985 году британские полярные исследователи обнаружили, что зимой над Антарктидой резко снижается концентрация озона — формируется так называемая «озоновая дыра», Крутцен в числе первых установил механизм, который приводит к ее появлению. Он показал, что если в нормальных условиях оксиды хлора и азота нейтрализуют друг друга, то при температуре воздуха ниже 205 кельвин (в условиях полярной ночи в стратосфере над Антарктидой) азот из газообразного состояния переходит в твердое и выходит из химического цикла, что в итоге приводит к быстрому разрушению озона оксидами хлора.

Источником хлора в стратосфере Крутцен назвал разложение фреонов — хлорфторуглеродных соединений, которые производились промышленностью разных стран и использовались в качестве хладагентов, которые попадали в верхние слои атмосферы и разлагались под действием солнечного излучения (параллельно такую же идею высказывали Марио Молина и Шервуд Роуланд, но были и другие теории, например, появление озоновых дыр объясняли влиянием извержений вулканов).

Именно за эти исследования Крутцен совместно с Молиной и Роуландом получил в 1995 году Нобелевскую премию по химии.

Его работы стали научной основой Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой. Что примечательно: это еще и редкий случай, когда результаты научной работы оказались решающим фактором, который поменял политику стран (и существенно повлиял на глобальную экономику). Правда, учитывая чрезвычайно длительную жизнь фреонов, положительный эффект от соблюдения протокола очень сложно разглядеть за динамикой стратосферы, которая определяет основную изменчивость от года к году. К счастью, человечеству не приходится испытывать отрицательный эффект от отсутствия данного протокола. Подробнее об истории Монреальского протокола читайте в материале «Дыра, которую мы залатаем».

Надо сказать, Крутцен был не только теоретиком, который обобщает и анализирует данные собранные другими. Он был инициатором целой серии крупных проектов по измерению состояния атмосферы в разных районах Земли (вот лишь некоторые из них: INDOEX, CONCERT, MOZAIC, CARIBIC). Один из экспериментов — «железнодорожный» — он организовал на территории России в 1990-х годах совместно с академиком Георгием Голицыным и профессором Николаем Еланским.

Проект TROICA (TRanscontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) — предполагал измерения состояния атмосферы на трансконтинентальных железнодорожных маршрутах России: по квазиширотному разрезу Москва—Владивосток и квазимеридиональному Мурманск—Кисловодск (1, 2, 3, 4). Наблюдения проводились с помощью специально созданной «лаборатории на колесах», состоящей из двух вагонов, которая умела проводить автоматизированные наблюдения за более, чем 40 газовыми примесями атмосферы, аэрозолями, радиационными и метеорологическими характеристиками. Всего с 1995 по 2009 год было проведено 13 наблюдательных кампаний.

Исследования существенно дополнили скудную информацию об источниках, стоках, транспорте и химических преобразованиях атмосферных составляющих во многих районах Северной Евразии. Ученые получили точные данные о различиях в качестве воздуха в крупных российских городах и фоновых районах, в очередной раз оценив наше влияние на окружающий мир.

Ядерная зима и геоинженерия

Ядерное оружие с момента его появления считали крайне опасным военным инструментом, но только в начале 1980-х годов, когда прозвучало выражение «ядерная зима», стало понятно, что это средство для коллективного самоубийства не только человечества, но практически всей биосферы. Возможно, это понимание сыграло важную роль в том, что ядерная война тогда не случилась. Крутцен был одним из тех, кто начал оценивать климатические последствия ядерной войны. В своей работе 1982 года «Атмосфера после ядерной войны: сумерки в полдень», оценивая возможное влияние обмена ядерными ударами на озоновый слой в стратосфере, он показал, что для озонового слоя возможная ядерная война не будет губительной, но в результате конфликта произойдет другое, более важное следствие — сильное аэрозольное замутнение атмосферы.

Пожалуй, именно Крутцен первым сказал об этом факторе — еще до того, как как вышла классическая статья о ядерной зиме Карла Сагана и соавторов. Работа Крутцена дала старт исследованиям, в том числе советских ученых-климатологов Георгия Голицына и Александра Гинзбурга, Никиты Моисеева и Владимира Александрова, выяснивших, что это замутнение приведет к резкому похолоданию — то есть «ядерной зиме». Ученые наглядно продемонстрировали, что пострадает не только одна сторона (проигравший), но и победитель, да и вообще все остальные, кто даже в войне не участвовал.

Позже Крутцен обращается и к теме изменений климата, выпускает ряд работ, посвященных исследованию роли аэрозолей в земной климатической системе (1, 2, 3). При этом он понимал, что добиться снижения выбросов парниковых газов в глобальном масштабе и смягчить антропогенное воздействие на климат чрезвычайно трудно. И если в случае с запретом озоноразрушающих веществ страны смогли договориться, то климатические переговоры под эгидой ООН пока продвигаются с большим скрипом — успехи в этой сфере пока очень скромны.

Понимая, что политические разногласия можно преодолеть только с большим трудом, в 2006 году Крутцен обратился к идее геоинжиниринга, озвученной еще академиком Михаилом Будыко в 1974 году в книге «Изменение климата» (о роди Будыко и концепции геоинжиниринга вообще читайте в материале «Я тучи разведу руками»). Как и его предшественник, он предложил целенаправленно воздействовать на климат путем создания сульфатного аэрозольного экрана в стратосфере, который бы отражал в космос часть солнечного света и таким образом приводил к охлаждению планеты: то есть то, что в случае ядерной войны должно было бы привести к катастрофе, здесь в малых количествах могло бы быть полезно.

Крутцен призвал коллег провести тщательные расчеты, чтобы у научного сообщества был ответ на вопрос, возможен, эффективен, а главное, безопасен ли такой «план B»?

Пришествие антропоцена

Понимая, что влиянием на химию атмосферы деятельность человека не ограничивается, Крутцен формулирует идею антропоцена — новой геологической эпохи, где одной из важнейших сил становится влияние человеческой деятельности. Идея, опирающаяся на концепции ноосферы Владимира Вернадского и Тейяра де Шардена (об их влиянии пишет сам Крутцен), получила широкую огласку после статей в IGBP Global Change Newsletter и в журнале Nature.

Крутцен приводит четыре основных «показателя», говорящих о приходе новой геологической эпохи:

• это исчерпание более 40 процентов известных запасов нефти, на создание которых потребовалось несколько сотен миллионов лет;
  
• преобразование почти половины поверхности суши, что существенным образом повлияло на биоразнообразие, круговорот веществ, почву, климат;
  
• фиксация азота для удобрений по объему сейчас превышает его фиксацию в природных экосистемах;
  
• более половины доступной пресной воды используется для нужд человека, при этом ресурсы подземных вод быстро истощаются.
  

Позже он добавляет к этому списку рост концентрации парниковых газов в атмосфере и сведение тропических лесов.

Хотя Международная комиссия по стратиграфии и Международный союз геологических наук еще официально не одобрили этот термин в качестве признанного, думается, что это лишь дело времени. К тому же границы начала антропоцена пока точно не определены.

Еще в 1992 году Крутцен и Голицын высказали идеи о границах нашего воздействия на природу, в работе о связях между глобальным потеплением, истончением озонового слоя и другими аспектами изменений окружающей среды. А в 2009 году Крутцен вошел в группу ученых, сформулировавших концепцию так называемых «планетарных границ». Ученые выделили девять условных систем (областей) окружающей среды (загрязнение атмосферы аэрозолями, изменение климата, водные ресурсы, природопользование, окисление океана, истончение озонового слоя, биогеохимические циклы, потеря биоразнообразия, химическое загрязнение), в которых следует задать безопасные пределы для человеческой деятельности. Пересечение этих пределов, по мысли авторов, может привести к катастрофическим последствиям для планеты.

Надо отметить, что Крутцен был не только беспристрастным летописцем, показавшем наше пагубное воздействие на природу. Он все это воспринимал гораздо глубже: на конференциях свои пленарные выступления Крутцен часто делал не сугубо научными, но и отчасти личными. Он показывал фотографии из своего детства, а потом фотографии своих внуков и говорил, что очень за них переживает: когда им будет 70 лет, окружающая их среда будет значительно хуже, чем во время его детства. Его выступления всегда производили очень сильное впечатление.

В 2019 году Пауль Крутцен и Георгий Голицын были удостоены главной награды РАН — Большой золотой медали имени Ломоносова. Для Общего собрания РАН по случаю награждения, состоявшегося в конце 2020 года, Крутцен подготовил лекцию, озаглавленную «Наши внуки, как и мы сегодня, будут жить в антропоцене», но прочитать ее даже «по зуму» уже не смог — не позволило состояние здоровья.

«Наше любопытство и стремление понять все, что нас окружает, включая нас самих, заставляет науку опрокидывать каждый камень, — писал он. — Но давайте будем надеяться, что благодаря принятию и пониманию нашей собственной эпохи, антропоцена,... действия, необходимые, чтобы ограничить необратимый ущерб для нашей планеты, особенно в области эффектов глобального потепления, наконец получили необходимый импульс».