Полгодо назад советский климатолог Михаил Будыко спрогнозировал, что выбросы углекислого газа, вызванные деятельностью человека, приведут к значительному ускорению развития растительности и биосферы. В 2016 году это было подтверждено данными со спутников, однако научные работы, посвященные этому явлению, встретили критику: некоторые исследователи пытались оспорить факт озеленения планеты. Новое исследование продемонстрировало, что озеленение не только реально, но и набирает обороты.
То, что рост концентрации СО2 в воздухе вызывает ускоренное развитие растений, было известно больше сотни лет назад. Советский физик и климатолог Михаил Будыко, в 1970 году первым заявивший о неизбежности глобального потепления, потратил немало времени, чтобы оценить влияние антропогенных выбросов углерода на биосферу. В 1980-х он пришел к выводу, что эти выбросы спровоцируют экспансию растительности по всей планете, что облегчит жизнь и животным. Этот вывод — одна из ключевых причин, по которой он оценивал глобальное потепление как «билет в потерянный рай». Он был первым исследователем, сформулировавшим такую научную позицию.
Идеи Будыко долгое время не находили поддержки в западном научном сообществе. Несмотря на то, что некоторые ученые отмечали увеличение растительности на планете, основываясь на данных со спутников, их исследования подвергались критике, и концепция глобального озеленения не получила широкого признания до публикации в Nature в 2016 году. Тогда группе авторов (первым среди которых был ученый из КНР) впервые удалось наглядно показать огромный масштаб глобального озеленения Земли, а также вычислениями установить, что на 70 процентов оно обусловлено именно выбросами СО 2 и еще на восемь процентов — ростом глобальных температур. Как они выявили, сельскохозяйственная активность человека отвечала лишь за 13 процентов этого озеленения.
Публикация в Nature вызвала неоднозначную реакцию: в западном научном сообществе устойчиво преобладала точка зрения о негативном влиянии глобального потепления на биосферу. История планеты не знает случаев, когда биосфера страдала бы из-за стремительного расширения растительности, являющейся основой пищевой цепи, поэтому сразу несколько научных групп предприняли попытки поставить под сомнение выводы, представленные в работе 2016 года. Проверить это для периода с 1982 по 2000 год оказалось затруднительно, поскольку доступно ограниченное количество спутниковых данных, и все они указывают на быстрое озеленение. Однако, несмотря на это, были предприняты многочисленные попытки оспорить факт этого процесса для периода после 2000 года.
Некоторые исследователи утверждают, что глобальное озеленение после 2000 года замедлилось, а другие — что оно даже обратилось вспять. Как такое возможно, если спутниковые снимки либо демонстрируют увеличение зеленой массы на поверхности планеты, либо не демонстрируют этого? Объяснение довольно простое: при разделении наборов спутниковых наблюдений на группы обнаруживается, что они отражают несколько отличающуюся динамику зеленой массы. Это вполне ожидаемо, поскольку аппаратурное обеспечение спутников может различаться по своим характеристикам, некоторые из них функционировали на орбите дольше других, и в процессе работы в их оборудовании возникали сбои. Если исследователь использовал не все доступные наборы данных для вычисления среднего значения, как это сделали авторы работы 2016 года, то он мог обнаружить среди них такие, где рост растительности после 2000 года был замедлен.
Критики выводов, представленных в работе 2016 года, предприняли попытку учесть не только нормализованный разностный индекс растительности, но и так называемый расширенный индекс растительности. В их расчетах присутствует методологическое отличие: нормализованный индекс отражает общее содержание хлорофилла, в то время как расширенный учитывает особенности структуры кроны растений. Кроме того, применялся дополнительный подход, заключавшийся в анализе более короткого периода (после 2000 или даже после 2010 года), при котором замедление озеленения интерпретировалось как общая тенденция последних лет.
Разногласия в оценках привели к существенному информационному потоку, из-за которого людям, не знакомым с наукой, стало трудно разобраться в происходящем. Действительно ли Земля зеленеет, как предполагал Будыко и отмечали китайские ученые? Или же, наоборот, растительность и биосфера планеты сокращаются в XXI веке?
Этот вопрос имеет практическое значение: если Будыко прав, то масштабные и затратные (стоимость превышает триллион долларов в год) усилия, направленные на борьбу с глобальным потеплением, одновременно наносят вред растительности и биосфере в целом. Если же его оппоненты правы, то эти усилия — единственный способ спасти человечество от крайне негативных последствий гибели растений и снижения биопродуктивности планеты.
Отсутствие четких данных часто приводит к неопределенности, поэтому важно переходить от общих описаний к количественным показателям
Авторы новой работы в Global Ecology and Conservation, группа ученых из КНР предприняла попытку оценить ситуацию, используя более обоснованные методологические подходы. По их мнению, дискуссии о том, изменяется ли цвет планеты, менее полезны, чем анализ конкретных физических показателей — индексе площади листьев. Для определения площади листовой поверхности и ее выделения из общего «зеленого» сигнала, поступающего от растительности на земле, применяются наборы спутниковых данных, чувствительные к красной и ближней инфракрасной областям спектра.
Авторы не выбирали спутниковые данные, основываясь на максимальных показателях растительности или гибели растений. Вместо этого они использовали все четыре глобальных набора данных, характеризующих индекс площади листьев.
Анализ показал, что в период с 2001 по 2020 год все четыре исследуемые группы данных демонстрируют статистически значимый рост индекса для Земли в целом. Лиственная поверхность планеты увеличилась на 55,15 процента от общей площади, занятой растительностью, что свидетельствует об устойчивом озеленении большей части суши. В 14,44 процента этой же зоны наблюдался процесс, противоположный озеленению – «окоричневание», то есть сокращение растительного покрова. Для остальных территорий не было выявлено выраженных тенденций ни в положительную, ни в отрицательную сторону.
При сопоставлении авторами взаимосвязей между другими факторами, наблюдаемыми со спутников, и площадью листьев, возникла любопытная картина. Некоторые закономерности были предсказуемы: уменьшение растительного покрова сопровождалось снижением влажности почвы. В тех регионах планеты, где наблюдалась высокая концентрация СО 2 была выше обычного, лучше росли и растения. Но были и неожиданности: рост температур по времени совпадал с озеленением не только в тех частях планеты, где прохладно (Китай, Европа, включая Восточную), но и там, где жарко. Например, именно так было в ряде районов Индии.
Тот факт, что между осадками (а также солнечным излучением) и озеленением существует слабая связь, оказался еще более удивительным. Регионы с увеличением осадков не демонстрировали более интенсивного озеленения, а в районах со снижением осадков оно не было заметно менее активным. Это, косвенно, указывает на то, что изменения в количестве осадков оказывают незначительное влияние на влажность почвы в долгосрочной перспективе.
По всей видимости, это связано с давно известным фактом: там, где появляется растительность, влажность почвы в значительной степени определяется ею, а не осадками. Это происходит потому, что при недостатке осадков растения, обитающие в условиях высокого содержания СО 2 в воздухе, могут сильно сужать устьица, крошечные отверстия на своих листьях. После такого сужения испарение ими воды из почвы минимизируется. В результате в земле сохраняется довольно много влаги, даже если осадки в том или ином году несколько ниже нормы.
Кто конкретно озеленил Землю?
Критическое замечание сторонников альтернативной гипотезы, подкрепленное спутниковыми данными, заключалось в том, что наиболее интенсивное увеличение растительности наблюдается в Китае и Индии — государствах с быстрорастущим сельским хозяйством и, как следствие, значительным внесением удобрений. В связи с этим в научном мире раздавались даже утверждения, что именно сельское хозяйство «отвечает за треть и, возможно, более, от наблюдаемого увеличения площади листьев» (то есть глобального озеленения). Разумеется, научпоп не лучшего качества пошел даже дальше и начал рассказывать то, чего никакие ученые никогда не заявляли: что якобы основная часть глобального озеленения объясняется влиянием сельского хозяйства.
Эти возражения вызывали серьезные сомнения с самого начала: например, китайская программа озеленения в первую очередь охватывала пустынные и полупустынные территории, а также Тибет, где отсутствует сельское хозяйство и возможность внесения удобрений. Более 42 процентов площадей, подвергшихся озеленению в Китае, заняли леса, в то время как лишь 32 процента пришлось на пахотные земли. Несмотря на наличие программы посадки деревьев в засушливых районах, эти посадки не получают полива и подкормки. Очевидно, что без естественных условий, благоприятных для быстрого роста растений, выживание этих насаждений было бы невозможным.
В ряде регионов мира глобальное озеленение заметно проявилось в период сокращения сельскохозяйственных угодий. Так, в России и Австралии с 1980-х годов сельское хозяйство было свернуто на значительных территориях, и в обоих случаях наблюдается высокая скорость растительности. И если в России ее еще можно объяснить не только влиянием СО 2, что смягчает ее крайне холодный климат по мере потепления, в Австралии это не актуально. Если бы сельское хозяйство являлось определяющим фактором озеленения, существование двух стран, чья общая площадь вдвое превышает размеры Индии и Китая, было бы трудно объяснить
Серьезным недостатком данного подхода являлось игнорирование положительного воздействия СО 2 на сельское хозяйство. Примерно четверть в урожае основных культур в тех же США приходится именно на влияние повышенной концентрации углекислого газа в атмосфере — повышенной из-за антропогенных выбросов. Иными словами, рост площади листьев на пашне в наши дни в большой степени обусловлен теми же факторами, что и рост площади листьев в природе в целом.
Авторы новой работы исследовали вопрос о причинах глобального озеленения: вызвано ли оно антропогенными выбросами углекислого газа или сельскохозяйственной деятельностью. Для этого они проанализировали изменения в концентрации углекислого газа 2 в той или иной зоне (спутники хорошо «видят» углекислый газ) с другими факторами, работающими для тех или иных участков земной поверхности. Оказалось, что СО 2 объясняет тренд по индексу площади листьев на 75,63 процента площади земной суши, имеющей растительность. Это даже несколько выше, чем в оценке авторов работы 2016 года (70 процентов).
В чем заключается разница между темпом глобального озеленения и скоростью его изменения
Авторов заинтересовал вполне обоснованный вопрос: позволяют ли современные спутниковые наблюдения установить, замедляется ли сейчас глобальное озеленение? Это актуальный вопрос, поскольку обычно считается, что дефицит водяного пара в атмосфере должен ограничивать глобальное озеленение.
«Дефицит давления водяного пара», давление насыщенного пара, хотя и измеряется в паскалях, является относительным, а не абсолютным понятием. Если относительная влажность кубометра воздуха сохраняется при повышении температуры, то содержание водяных паров в нем будет увеличиваться. На практике, однако, в более теплых регионах мира отношение фактического количества водяных паров на кубометр воздуха к теоретически возможному при данной температуре оказывается ниже, чем в холодных. Чтобы лучше понять этот момент, достаточно посмотреть на приведенную ниже карту. В Амазонии человеку из России первое время может быть трудно дышать из-за высокой влажности воздуха. Тем не менее, формальный дефицит водяного пара там выше, чем в России, и значительно выше, чем в Гренландии, Антарктиде или на Тибете (это легко увидеть на карте ниже).
Понятие это, очевидно, не позволяет оценить, насколько та или иная климатическая зона подходит для развития сложной жизни. В Гренландии и Антарктиде воздух чрезвычайно сухой, что без принятия соответствующих мер может быстро негативно сказаться на коже и слизистых оболочках, а растительность там либо представлена слабо, либо отсутствует вовсе. Таким образом, в районах с низким содержанием водяного пара угнетение растительной биомассы является обычным явлением. В то же время, в местах с умеренным дефицитом водяного пара, таких как джунгли Амазонии и Конго, норма – буйная растительность. Только зоны, где этот дефицит превышает 1,5-2,0 тысячи паскалей (то есть достигает экстремально высоких значений), действительно характеризуются низкой пригодностью для развития растений.
Многие климатологи утверждают, по прогнозам, дальнейшее повышение температуры приведет к тому, что нехватка водяного пара, которая уже наблюдается в умеренных широтах, станет столь же острой, как в тропических пустынях, а не в Амазонии. Это может повлечь за собой гибель растительности и прекращение глобального озеленения. Некоторые исследователи даже утверждают, что этот процесс уже идет. Новая работа была направлена на проверку этого утверждения. Если глобальное озеленение замедляется, то это подтверждает, что нехватка водяного пара негативно повлияла на растения.
Для большей части суши точность текущих наблюдений оказалась недостаточной: четыре набора спутниковых снимков предоставили противоречивые сведения об ускорении глобального потепления для 60 процентов территории. Стоит отметить, что подобные исследования охватывают только те участки суши, на которых произрастают растения, исключая, таким образом, арктические пустыни и Сахару.
Для 40% суши удалось установить, что ускорение глобального потепления имеет положительный характер. Таким образом, глобальное озеленение в период с 2001 по 2020 год ускорилось, а не замедлилось, хотя это ускорение пока не имеет статистической значимости. Примечательно, что скорость глобального озеленения увеличивается на европейских равнинах (включая часть территории России), в Восточной Африке и Индии.
В период с 2001 по 2020 год площадь сельскохозяйственных угодий в России и Европе в целом не увеличилась, а в самой России даже сократилась. В то же время, в некоторых регионах североамериканских равнин и в Китае темпы глобального озеленения несколько снизились. Этот факт представляется особенно значимым, поскольку в Китае в указанный период сельское хозяйство пережило значительный подъем — объемы производства основных культур существенно возросли. Таким образом, утверждение о том, что озеленение связано с интенсивным сельским хозяйством, вновь не подтвердилось на основе анализа фактических данных.
Что из всего этого следует?
По мнению исследователей, причиной, побудившей ряд предыдущих работ к попыткам опровержения концепции глобального озеленения, послужило использование сомнительных наборов данных. В частности, речь идет о Продвинутом радиометре очень высокого разрешения (Advanced Very-High-Resolution Radiometer, AVHRR), спутниковой системе, осуществляющей наблюдения в пяти спектральных диапазонах. Две из этих полос — около 600 и 900 нанометров — потенциально содержат информацию по нормализованному разностному индексу растительности. Авторы новой работы подчеркивают, что для реализации данного проекта ранее была выявлена значительная проблема с точностью, обусловленная орбитальным дрейфом спутников, которые поставляют эти данные.
Их исследование не содержит оценок нормализованного разностного индекса растительности, а фокусируется на индексе площади листьев. Этот индекс получен на основе данных MODIS — системы спутниковых наблюдений, использующей менее сложные инструменты, что позволяет избежать значительных систематических погрешностей.
По данным анализа, глобальное озеленение — это «неоспоримый факт», как констатируют авторы в своей работе. На 55 процентах земной суши, имеющей растительность, идет именно озеленение (активнее всего — на равнинах Европы и Индии) и лишь на семи процентах растительность отступает. Причем на три четверти за озеленение отвечает именно углекислый газ. Влияние роста его концентрации так велико, что дефицит давления водяного пара не только не может остановить озеленение, но не показывает даже способности остановить ускорение глобального озеленения.
Данная научная работа посвящена описанию одного из ключевых процессов, протекающих в биосфере Земли. При этом необходимо отметить, что она обладает определенными ограничениями.
Например, площадь листьев растет медленнее, чем зеленая биомасса, о чем мы уже писали. Но все же зеленые растения суши составляют более двух третей от всей биомассы Земли. Если они показывают быструю экспансию, кормовая база для животных тоже быстро растет. А это, безусловно, хорошо для биосферы в целом.
Несмотря на значимость вопроса, СМИ избегают его освещения. Это объясняется тем, что для западных медиа он вызывает дискомфорт. После публикации первых материалов, посвященных глобальному озеленению, там даже появились специальные популярные статьи, где заявлялось, что глобальное озеленение в долгосрочном плане — это ужасно.
Не удалось найти весомых доводов, демонстрирующих негативные последствия бурного роста растительности в долгосрочной перспективе. Пришлось использовать полностью неубедительные. Работники СМИ не очень-то любят ставить свои подписи под плохо выглядящим материалом: после этого падает доверие читателей.
Не вызывает удивления, что Китайская Народная Республика, где отсутствует единая партийная позиция в отношении глобального потепления, по-прежнему может позволить себе исследования, посвященные ускорению озеленения, в отличие от Соединенных Штатов. В русскоязычной культуре отношение к антропогенным выбросам углерода ближе к американской точке зрения, чем к китайской. После ухода из жизни Будыко российское научное сообщество преимущественно воспроизводит западные утверждения относительно этого вопроса и распространяет их среди населения.