Все мы помним картинки из советских книжек 80-х годов: ядерный гриб, пожары и ядерная зима. А с чего, собственно, зима? Наивному человеку может показаться, что когда что-то горит, становится только теплее. Чуть менее наивный человек вспомнит, что при горении выделяется углекислый газ и другие газы, за счёт чего усиливается парниковый эффект, — опять же, может показаться, что должен произойти разогрев.

Механизм его таков. Ядерные удары по городам приведут к огненным смерчам. В них будет гореть всё: запасы топлива, люди, металл, органические вещества в почве. При горении будет образовываться очень мелкодисперсная сажа. Поднимающиеся потоки горячего воздуха увлекут её в стратосферу. Там она останется надолго, поскольку, в отличие от нижних слоёв атмосферы, в стратосфере не бывает дождя, которым бы эту сажу смыло вниз.

Частицы сажи будут разогреваться и… охлаждать поверхность Земли. Стратосфера нагреется. Но нагреется она за счёт того тепла, которое не дойдёт до поверхности Земли.

Это тепло будет переизлучаться обратно в космос. А Земля останется в тени. Когда-то слипающиеся частички сажи начнут постепенно падать в нижние слои атмосферы, откуда их будет вымывать дождь. Но — медленно.

Насколько эти эффекты на самом деле страшны?

Как климатологи предсказывают похолодание

Такой расчёт провели американские физики Джошуа Куп, Чарльз Бардин, Алан Робок и Оуэн Тун из Боулдера и Ратгерса в статье «Реакция в виде ядерной зимы на ядерную войну между США и Россией в полноатмосферной общепризнанной климатической модели (WACCM4) и в модели института космических исследований имени Годдарда».

Они разбили атмосферу на небольшие фрагменты — 2 градуса широты на 2 градуса долготы, а толщу атмосферного столба разделили на 66 слоёв. Далее они учли почти всё, что только можно: отражающую способность земли и воды, химические реакции, происходящие в атмосфере, вклад человека и живой природы в поступление углекислого газа. Такая всеобъемлющая модель, разумеется, не была придумана специально для расчёта ядерной катастрофы — её создавали и выверяли десятки учёных в ходе «обычных» климатологических исследований.

И теперь в модель просто «добавили» сажу.

Частички сажи получатся разных размеров и будут устроены сильно хитрее, чем просто «шарики», они будут слипаться и разлипаться, на них по-разному будет поглощаться и рассеиваться излучение с разной длиной волны. Всё это тоже учитывается в модели. Разогретая стратосфера приведёт к более быстрому распаду озона, что несколько увеличит проницаемость атмосферы для ультрафиолета, — это тоже принимается во внимание.

Что в итоге насчитали учёные, показываем на инфографике.

Количество солнечного излучения, достигающего земной поверхности, в первый год войны в среднем по всей Земле сократится на 70%. Температура в среднем упадёт на 9 градусов. Но поскольку война будет в Северном полушарии, которое к тому же гораздо более «сухопутное», чем Южное, «среднее по больнице» — не самый релевантный показатель.

Устроивший зиму — замёрзнет сам

На сколько градусов упадёт температура в России в первый год после войны (расчёты проводились в предположении, что война началась 15 мая), в первую послевоенную зиму и на следующее лето? Вот что насчитали учёные.

Ну, то есть от ядерной войны выиграют лишь жители Якутска зимой: за счёт притока стратосферного тепла к полярным областям там станет в декабре-январе теплее на 1 градус. Зато лета в Якутске вообще не будет. Впрочем, в Москве и Питере тоже. Какое-то подобие лета останется в Краснодаре.

Так что с едой придётся попрощаться во всех регионах России, кроме Краснодарского края, где продолжительность вегетационного периода составит 50–70 дней. Думается, у крестьян Краснодара станут популярными командировки по обмену опытом в Якутию, где до ядерной войны эффективное земледелие — от последних весенних заморозков до первых осенних — было ограничено сроком примерно с 1 июня до 20 августа. Также относительно слабо повлияет война на Петропавловск-Камчатский и Владивосток — огромная масса воды в Тихом океане немного согреет российский Дальний Восток.

Штатам повезёт больше. Полноценное сельское хозяйство выживет во Флориде, Луизиане и на юге Техаса, Джорджии, Миссури и Алабамы, где сельхозсезон будет составлять более 75 дней.

Предсказания модели этим не ограничиваются. За прогревом стратосферы и замерзанием поверхности Земли и нижних слоёв атмосферы последует уменьшение количества атмосферной влаги и уменьшение уровня осадков.

За пределами России кое-где возникнут регионы с аномальной повышенной влажностью. Например, уровень осадков в Амазонии возрастёт в 3 раза. Кызылкум из песчаной пустыни станет ледником — с падением средних температур на 30 градусов и ростом количества осадков в 4 раза.

Практические советы

Останутся ли после этого на Земле какие-то места, где можно жить и заниматься сельским хозяйством? Да. Вполне приемлемой и мало отличающейся от довоенной будет жизнь на юге Чили и Австралии, а также в Африке к югу от экватора. Падение температуры там не будет столь значительным, чтобы сделать земледелие невозможным.

Потихоньку «размерзать» Россия начнёт лет через семь после обмена ядерными ударами. Только на 11–12-й год среднее глобальное падение температуры по сравнению с довоенным станет меньше одного градуса, а количество сажи в атмосфере упадёт примерно в 100 раз.

Если исходить из расчёта в 500 граммов крупы на человека в день, то перед ядерной войной нужно запасти примерно полторы тонны гречки или риса на каждого члена семьи. Сколько надо будет топлива? Если рассчитать из нормы 20 кв. метров площади на человека и нормативной мощности 10 кВт на 100 кв. метров при норме потребления 1 кг дизтоплива на 10 кВт*ч, на каждого члена семьи следует запасти примерно 15 тонн горючего. Или придётся кучковаться поплотнее. Или заворачиваться в одеяло.

Но дешевле и проще всего будет переехать в Чили или Аргентину. Почему-то мне кажется, что Австралия и Новая Зеландия станут преимущественно принимать беженцев из США и Канады. Намибия, Ботсвана, Зимбабве, ЮАР также останутся приемлемыми местами для жизни. Не советую Конго и Мозамбик —там будет очень сухо.

Сюрпризы великой зимы

Если вы думаете, что голод и холод — это всё, то вы ошибаетесь. Учёные из тех же университетов в соавторстве с Потсдамским институтом изучения воздействия на климат детально просчитали ещё и утоньшение озонового слоя. Если произойдёт полномасштабный ядерный конфликт между Россией и США, озоновый слой станет тоньше в 4 раза. Произойдёт это из-за нагрева стратосферы и выброса в неё, помимо частиц сажи, оксидов азота, которые приводят к распаду озона в обычный кислород.

Впрочем, поскольку пациенты онкологов к тому времени в основном вымрут от голода, равно как и онкологи, лечиться и лечить будет некому и некого.

Океан, в отличие от суши, не охладится настолько же сильно, тем более — не замёрзнет полностью. Но не думайте прожить за его счёт при ядерной войне — эффекты ядерной зимы на океан учёные тоже просчитали, и эти эффекты существенны. Арктический лёд дойдёт до Японии, в первый послевоенный год биологическая продуктивность океана в Северном полушарии будет практически нулевой, в дальнейшем средняя продуктивность океанов будет ниже нормы на 30%.

Не всё так однозначно

Ряд фактов иностранные учёные не приводят, чем замалчивается масса положительных эффектов ядерной войны. Восполним этот пробел. Перестанет оттаивать вечная мерзлота в Якутии. Это не только позволит и дальше строить там с нарушением строительных правил, но и спасёт для науки мягкие ткани мамонтов, которые периодически из мерзлоты вытаивают. Россияне смогут экономить на хранении продуктов: выбросил продукты на балкон — они там и лежат весь год. Да, в ходе ядерной зимы погибнет от бескормицы весь скот — так можно его заблаговременно зарезать и хранить в виде мяса, так даже дешевле, потому что мясу не нужно сено. Нидерланды и Венеция смогут вздохнуть спокойно — им не будет грозить затопление. Из-за понижения уровня Мирового океана государства Океании и Мальдивы перестанут бить тревогу в связи с грядущим утоплением всех их стран. Жаркое южноафриканское лето (наш декабрь-январь) станет на 5 градусов прохладнее. Антарктическое лето на самой северной точке этого материка — Земле Грейама — потеплеет на 5 градусов и может стать популярным местом отдыха для россиян, перебравшихся в Аргентину…

— Хотел бы обсудить с вами современные модели, с помощью которых климатологи, геофизики, физики атмосферы пытаются предсказывать, что будет с Землёй, с её климатом и, соответственно, с биосферой в случае крупномасштабной ядерной войны. Я внимательно прочитал статью четырёх авторов (Джошуа Куп, Чарльз Бардин, Алан Робак и Брайен Тун ), вышедшую в 2019 году. Она предсказывает последствия для атмосферы Земли, если состоится крупномасштабный конфликт между США и Россией с выбросом 150 миллионов тонн углеродных частиц в атмосферу. И одно из её основных предсказаний — это то, что в среднем среднетемпературный климат Земли упадёт на 9 градусов. Я бы хотел понять, насколько сейчас это вычисление, эта статья, является state-of-the-art-моделью для подобных климатических изменений или есть какие-то более продвинутые. Может быть, не все в сообществе учёных, которые занимаются этими вопросами, считают, что это на данный момент самая достоверная модель?

— История теории ядерной зимы начинается с 80-х годов. И сначала использовали довольно простые модели для оценки климатических последствий. Мы сделали когда-то в Вычислительном центре Академии наук первый трёхмерный расчёт с двуслойной моделью общей циркуляции атмосферы с очень грубым пространственным разрешением. Красота этой задачи заключается в том, что воздействие очень сильное.

Сейчас общепризнанно, что аэрозоли играют важную роль и в радиационном балансе планеты, и в процессах облакообразования. Аэрозоли в значительной степени могут ослаблять эффект парниковых газов. В отличие от парниковых газов, аэрозоли имеют короткое время жизни в атмосфере. Например, во время ковида, когда антропогенные эмиссии уменьшились и атмосфера в значительной степени очистилась от антропогенных аэрозолей (но не от парниковых газов), была тенденция к тому, что температура повысилась, потому что аэрозоли стали меньше влиять на отражение солнечных лучей.

— Даже так?

— Даже так, да. Особенно локально — в тех местах, где много аэрозолей, над Китаем и над Индией. Аэрозоли — одна из наиболее сложных и трудно описываемых элементов климатических моделей. В то же время аэрозоли имеют довольно значительный радиационный эффект. Аэрозоли влияют непосредственно на радиационный перенос в атмосфере, они также влияют на облака и тем самым опосредованно влияют на радиационный баланс Земли. В отличие от парниковых газов, аэрозоли могут быть быстро удалены из тропосферы, но сохраняются значительно дольше в стратосфере, как, например, вулканические аэрозоли после взрывных вулканических извержений.

А вулканические извержения дают другой пример сильного аэрозольного загрязнения, где участвуют сульфатные аэрозоли, которые отражают солнечное излучение и тем самым понижают температуру Земли. Вулканический пепел, правда, сильно поглощает солнечное излучение, но он выпадает в течение нескольких дней, поскольку частицы пепла довольно большие (больше 2 микрон) и тяжёлые. В этом смысле вулканические извержения — очень интересный естественный аналог, который позволяет лучше понять и проверить модели.

Возвращаясь к вашему вопросу: да, действительно, модели, с которыми первоначально мы исследовали эффекты выбросов сажи, были простые. Но мне кажется, даже тогда ответ на то загрязнение, которое, по оценкам, могло быть выброшено в атмосферу, был вполне адекватным. В течение 30–40 лет модели намного улучшились благодаря развитию вычислительной техники и улучшению описания физических процессов.

Та модель, которую использовали в работе Куп с соавторами, — одна из лучших современных моделей, которая используется для предсказаний изменений климата, связанного с увеличением парниковых газов. То есть это продвинутая климатическая модель с улучшенным описанием аэрозольного блока. Поэтому в смысле физическом это лучшая модель, которая апробирована на изменениях климата. Обе статьи, которые вы мне прислали, используют одну и ту же климатическую модель. То есть в смысле климатического эффекта здесь нет разногласий — результаты согласуются, если загрязнение одинаковое.

Разница двух подходов: у учёных из Лос-Аламоса в статье, в которой предсказываются менее радикальные климатические последствия, и в том исследовании, что делал Куп и компания, состоит в предположении о том, сколько будет этой сажи выброшено именно в стратосферу. Потому что в тропосфере время жизни частиц намного меньше, поэтому критической величиной является масса сажи, попадающей в стратосферу, где она живёт дольше и может создать сильный и продолжительный климатический эффект. Разница в конечных выводах в этих двух исследованиях связана с исходными предположениями о вертикальном распределении аэрозольного загрязнения, а не в том, как климатические модели реагируют на аэрозоль. Обе работы используют одну из лучших климатических моделей, которая правильно описывают климатический отклик.

Там есть физика, которую не все учитывают. Например, даже эта лучшая модель не учитывает, скажем, химическое распадение сажевых частиц, которые могут фотохимически окисляться в стратосфере (этот процесс часто называют aging — старение частиц). Это сложный процесс, не очень понятно, какая физика и какая химия там наиболее важна. Но эта модель даже рассматривает сажевые частицы как фракталы, а не как сферические частицы. Там, наверное, ещё есть более сложные явления, потому что известно, что эти фракталы схлопываются в так называемые fluffy particles. Но тем не менее эта модель весьма адекватна.

Во второй статье авторы из Лос-Аламоса пытались ответить на этот вопрос: они моделировали эффект огненного шара и соответствующий пожар. Они пишут, что делают оценку сверху, то есть задают все параметры, которые дают самый большой эффект, но, я думаю, они недооценивают многие вещи. Например, они используют достаточно простую модель для пожара. В первую очередь, не учитывают влияние влаги, которая увеличивает высоту конвекции. И второе — этот эффект сильно зависит от масштабов. Если взять пожар километр на километр, ничего не произойдёт. Я имею в виду, что сажевое облако не пробьёт тропосферу и остановится где-нибудь в середине на 6–7 километрах. Если взять пожар размером 100 километров на 100 километров, то сажевое облако пробьёт тропосферу и выскочит в стратосферу. Мы знаем, что при сильных лесных пожарах наблюдаются выбросы сажи в нижнюю стратосферу, и дальше она поднимается за счёт солнечного нагрева. И после сильных пожаров мы часто видим облако сажи под тропопаузой, не в середине тропосферы. (Тропопауза — слой воздуха между тропосферой и стратосферой, в котором температура с ростом высоты перестаёт падать и начинает расти. — Ред.).

Всё зависит от того, какое мы зададим вертикальное распределение температуры и влажности воздуха. Например, если мы говорим о той гипотетической войне между Индией и Пакистаном, которая рассматривается в упомянутых статьях, то это тропическая зона, где солнечный нагрев очень сильный, и он будет нагревать сажу намного сильнее, чем в средних широтах. Пограничный слой намного выше. Это не 2 километра, как летом в средних широтах, а, может быть, 5 километров, как в пустыне при сильном нагреве поверхности. Вот все эти факторы и могут повлиять на начальное вертикальное распределение сажевых частиц.

Больше всего, по-видимому, влияет атмосферная влага, ветер и масштаб этого пожара. Никто ещё не смоделировал firestorm, огненный смерч, когда пожар настолько большой, что он организует динамический поток вокруг пожара, подтягивает кислородные потоки, которые поддерживают этот пожар. Это интересная часть работы, которая не менее сложна, чем климатический отклик, на неё нужно смотреть.

Мне кажется, что учёные в Лос-Аламосе недооценивают некоторые факторы. Их вывод может быть слишком преждевременным, что всё это застрянет в середине тропосферы на 5–6 километрах и быстро-быстро рассосётся. Есть аналог этого, интересный пример, — пожары нефтяных скважин в Кувейте после войны в 1991 году. Эти пожары были довольно сильные, но они не вышли в стратосферу. И одно из объяснений этому —масштаб пожаров. Горели отдельные скважины с небольшой площадью возгорания. Если бы это было консолидировано, то вертикальный перенос сажи был бы намного сильнее.

— То есть там не наблюдалась такого, что это было целое поле, на котором смешивались продукты горения от соседних скважин, да?

— Да. Это не была большая площадь, захваченная пожаром, которая организовывала бы гидродинамическое течение вокруг этого. Это были отдельные элементы, выбрасывающие на 6–7 километров, на высоту пограничного слоя эту сажу, которая рассеивалась. Когда она рассеивается, тогда и подъём уменьшается. То есть здесь в сравнении работают два фактора. С одной стороны, выделение этой сажи: чем больше концентрация, тем активнее будет её подъём и процессы, которые вызывают её диссипацию и распространение, и уменьшение локальной концентрации.

— А вот, допустим, недавние пожары в Сибири. Есть ли сведения о том, что в их ходе сажа поднималась уже в стратосферу? Или нет?

— Думаю, что есть. У меня нет конкретного ответа, потому что я на это не смотрел. Но пожары были очень сильные, и я уверен, что группа людей, которые специально следят за выбросами в стратосферу, это наверняка рассматривали. Про то, что было в Сибири, не могу сказать, так как не помню конкретно публикаций на эту тему, но как лесные пожары выбрасывают какую-то часть сажи в стратосферу, рассчитывал: проводил вычислительный эксперимент на примере пожара в Канаде (Chishol Forest Fire). Надо понимать, что выбросы сажи в лесных пожарах и в результате ядерного конфликта отличаются по порядку величины: если в случае ядерной войны мы говорим о мегатоннах выбросов сажи, то очень большой пожар выбрасывает килотонны — три порядка разница. И было известно, что в Канаде пироконвекция во время пожара выбросила сажу под тропопаузу. Это было, конечно, в высоких широтах, где тропопауза ниже, чем в тропиках. В своих расчётах я показывал, что солнечный нагрев этого сажевого облака, который расположен под тропопаузой, осуществляет его подъем в стратосферу. Но это то, что, в общем, все модели описывают теперь. В работах Туна и Майкла Милса, которые используют WACCM, сажа выбрасывается под тропопаузу, и дальше она поднимается вверх за счёт солнечного нагрева.

— Вы сказали про отличие сажи, которая возникает в случае пожаров и в случае гипотетической ядерной войны, с одной стороны, и тех частиц, которые выбрасывают вулканы. С точки зрения влияния на климат вулкан больше или меньше экранирует солнечное излучение при одинаковом объёме выброса?

— Сажа намного более эффективна радиационно на единицу массы аэрозоля, чем вулканический сульфатный аэрозоль. И в отличие от вулканического аэрозоля, сажа сильнее поглощает солнечное излучение. Например, последнее климатически значимое извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году выбросило в стратосферу приблизительно 17 миллионов тонн SО2, который превратился в 25–30 миллионов тонн сульфатного аэрозоля. Сульфатный аэрозоль в основном отражает солнечное излучение и слабо поглощает в ближнем инфракрасном и инфракрасном диапазонах. А в солнечном видимом и ультрафиолетовом длинах волн ничего не поглощает, только отражает и вызывает охлаждение всей планеты. Но вместе с SО2 было выброшено приблизительно сотни миллионов тонн вулканического пепла и водяной пар. Значительная часть водяного пара сконденсировалась и выпала как лёд.

— Что представляет собой химически вулканический пепел — это силикаты какие-то?

— Да, в основном это силикаты. Скажем так, это могут быть силикаты с какими-то дополнениями. В отличие от сульфатного аэрозоля, пепел поглощает солнечное излучение. Мы моделируем вулканический пепел в наших расчётах как пыль. Мы задаём какое-то распределение по размерам. Известно, что вулканический пепел намного крупнее, чем сажа. Поэтому он довольно быстро выпадает. Но его эффект очень важный. Мы недавно опубликовали статью, где показали, что несмотря на то, что основная масса вулканического пепла выпадает в течение нескольких дней, в течение этих нескольких дней он прогревает атмосферу за счёт поглощения солнечного излучения и вызывает подъём всего вулканического облака примерно на 1 километр в день в течение первой недели после извержения. То есть если вулканический материал выбрасывается над тропической тропопаузой, на высоту 17–18 километров, то этот прогрев поднимает вулканическое облако на ту высоту, на которой мы его обычно наблюдаем, на 25 километров, где вулканический (в основном сульфатный) аэрозоль может сохраняться длительное время и радиационно наиболее эффективен. То есть несмотря на своё короткое время жизни из-за гравитационного осаждения, поскольку частицы большие, вулканический пепел может иметь существенное влияние на динамику и долговременную эволюцию вулканического облака.

Охладился океан, и за счёт термического сжатия воды уменьшился уровень океана примерно на 1 см — это из моих расчётов. То есть это существенный эффект, но не катастрофа. Такой эффект, как после извержения Тоба, который в 100 раз больше, чем после Пинатубо, мог создать намного более сильный климатический эффект. Тоба — это супервулкан, который извергся 75 тысяч лет тому назад в Индонезии и, как считается, вызвал сильное уменьшение человеческой популяции.

Когда мы говорим о последствиях ядерных пожаров, то говорим о сильно поглощающем и долгоживущем аэрозоле. Сажа состоит из мелких наномикронных частиц, которые гравитационно осаждаются очень медленно. Они переносятся атмосферными потоками и осаждаются за счёт стратосферной циркуляции на полюсах и в зоне среднеширотных штормов. Они могут химически разлагаться, но этот механизм ещё не вполне изучен. И они сильно поглощают солнечное излучение и сильно уменьшают приток солнечного излучения к поверхности Земли. То есть частицы сажи охлаждают поверхность сильнее, чем вулканические аэрозоли в расчёте на единицу массы аэрозоля. Хотя в целом планета начинает поглощать больше солнечного излучения, когда в атмосфере взвешены сотни миллионов тонн сажи. Но это поглощение распределено по высоте иначе, чем в чистой атмосфере.

Сажа в стратосфере в первую очередь греет стратосферу, а земная поверхность сильно охлаждается. Возникает масса необычных эффектов — например, перенос влаги в стратосферу, которая очень сухая в нормальном состоянии. То есть здесь происходит масса сильных циркуляционных изменений и изменений термического режима.

— А извержение Тобы — с каким объёмом выбросов сажи его можно было бы хотя бы приблизительно сравнить? То есть какая ядерная война привела бы к аналогичному эффекту?

— Я бы не стал это так сравнивать. По оценкам, вулкан Тоба выбросил приблизительно в 100 раз больше SO2, чем Пинатубо. То есть если Пинатубо выбросил 20 миллионов тонн, то Тоба — приблизительно 2 гигатонны SO2. SO2 создает сульфатный аэрозоль — долгоживущий, но не поглощающий, а отражающий в основном. Есть указание на то, что есть здесь отрицательная обратная связь: если извержение очень большое, то сульфатные частицы начинают расти быстрее, и поэтому гравитационное осаждение этих «больших» сульфатных частиц может оказаться более эффективным, чем мы ожидаем. Эффект, который мы обнаружили, моделируя последствия извержения Тобы — наряду с климатическим эффектом будет сильное уменьшение озонового слоя за счет эффекта аэрозоля и SO2 на фотохимические процессы в стратосфере. SO2 — тоже оптически активный газ, он поглощает так же как озон и влияет на озоновую фотохимию. И мы обнаружили, что

Майкл Миллс оценивал его, правда, по другим физическим причинам, за счёт перегрева стратосферы. В нашем случае это было влияние на фотолиз. То есть если говорить о вулканическом пепле, вулкан Тоба, конечно, выбросил огромное количество вулканического пепла. Но он быстро выпал. Его трудно сравнивать с сажей в этом плане. Потому что пепел выпадает, а сажа остаётся в стратосфере длительное время, поскольку это маленькие частицы, которые гравитационно не выпадают.

Сажа сама по себе более оптически активна на единицу массы, чем сульфатный аэрозоль и чем вулканический пепел.