CC BY
901
УДК 519.677:504.056
© 2011: А.М. Тарко, В.П. Пархоменко; ФНИ "XXI век"
ЯДЕРНАЯ ЗИМА: ИСТОРИЯ ВОПРОСА И ПРОГНОЗЫ
А.М. Тарко, В.П. Пархоменко
Учреждение Российской академии наук Вычислительный центр им. А.А. Дородницына,
Москва, Россия
Эл. почта: [email protected]; [email protected] Статья получена редакцией 24.03.2011, принята к печати 11.05.2011.
Прогнозы ядерной зимы были получены одновременно и независимо учеными СССР и США в 1983-1985 гг. Изложена история разработки, даны результаты полученных в СССР прогнозов климатических и некоторых экологических ее последствий (гибель растительности от холода и уменьшения освещенности, исчезновение видов). Согласно принятому сценарию, возникновение ядерной зимы происходит в результате крупномасштабной ядерной войны между двумя крупнейшими странами (суммарная мощность ядерных взрывов равна 10 000 Мт). Главным действующим фактором являются возникшие мощные пожары в крупных городах, переходящие в «огненные смерчи». Образующиеся сажа и мелкодисперсная пыль перекрывают солнечное излучение. В атмосфере существуют механизмы, препятствующие опаданию ядерных аэрозолей в течение длительного времени. Расчеты показывают, что ядерный аэрозоль за две недели покрывает Северное полушарие Земли, а за два месяца переходит в Южное полушарие. Понижение температуры в разных точках земной поверхности составляет от 5 до 60 градусов. Длительность процесса - до года. Согласно расчетам, та страна, которая начнет ядерную войну, неминуемо погибнет от своих или чужих ядерных ударов. Растительность и животный мир погибают в зависимости от того, на какой период года приходится ядерный конфликт. Наиболее опасным он может быть, начавшись летом, когда растения в наименьшей степени выносят уменьшение температуры и снижение освещенности. Также проведены расчеты ядерной зимы при меньшей суммарной мощности ядерных взрывов - 100 Мт. При этом ядерная зима будет сопровождаться почти таким же падением температуры, но на более короткое время - три месяца.
Ключевые слова: прогнозы ядерной зимы, модели глобального климата и биосферных процессов.
NUCLEAR WINTER: HISTORY OF THE CONCEPT AND FORECASTS
A.M. Tarko and V.P. Parkhomenko
A.A. Dorodnitsyn Computation Center of the Russian Academy of Sciences,Moscow, Russia E-mail: [email protected]; [email protected]
The concept of nuclear winter was developed simultaneously and independently by scientists in the USSR and USA in 19831985. The present overview addresses the history of the concept and the results of forecasts made in the USSR concerning the climatic and environmental consequences of nuclear winter, including vegetation loss and species extinction caused by cold and reduced insolation. According to the generally assumed scenario, nuclear winter can result from a large-scale nuclear conflict between major nuclear powers (total explosion power is 10,000 megatons). The principal factor at work in this case is powerful conflagrations in major cities turning into fire storms. The resulting soot and finely dispersed will shade the Earth from solar radiation. The atmosphere is able to keep nuclear aerosol suspended for a long time. Calculations suggests that nuclear aerosol can shade the Northern Hemisphere in two weeks and to spread to the Southern Hemisphere in two months. Temperature can drop by 5°C to 60°C depending on site. The duration of the whole phenomenon is about one year. Calculations further suggest that nuclear conflict initiator will inevitably be exterminated because of foreign and own nuclear blasts. Flora and fauna will be affected depending on the season of conflict onset. The most dangerous is conflict onset in summer when plants are most sensitive to reduced temperature and illumination. Calculations related to a lesser total power of nuclear blasts, about 100 megatons, suggest that temperature drop in this case will be the same albeit shorter, about three months.
Keywords: nuclear winter forecasts, models of global climate and biosphere processes.
Того же лета было знамение на небеси... Тогда же засуха была, земля и болота горели; того же лета мгла стала 6 недель, солнца не видели, и рыбы в воде мерли, и птицы на землю падали, не могли летати...
Софийская первая летопись, 1431 г
Введение
Почти 30 лет назад, в 1983-1985 гг., одновременно и независимо учеными СССР и США были сделаны прогнозы ядерной зимы. Эти прогнозы имели огромное значение для осознания человечеством того, что, во-первых, мир может быть легко разрушен, и это будет глобальной катастрофой, и во-вторых, что мир можно сохранить, и это реально достижимо. В результате разработки прогнозов ядерной зимы люди поняли1,
что развязывание крупномасштабной ядерной войны недопустимо - это приведет цивилизацию к разрушению, а наличие большого количества ядерного оружия у двух сильнейших ядерных держав является не только фактором агрессии, но и сдерживающим фактором, обеспечивающим человечеству жизнь без мировых войн. Весьма важно, что усилия «обычных» ученых СССР и США дали то, чего не смогли получить специальные службы в обеих странах, призванные
164
обеспечить правительства необходимыми знаниями, это был их «недосмотр». В настоящее время, когда фундаментальная наука во всех развитых странах активно развивается, а в России - уничтожается, прорыв в науке, сделанный в то время, напоминает нам, что когда-то в двух сильнейших странах был относительный паритет не только по наступательным вооружениям, но и по уровню фундаментальной науки и ее прикладным результатам, каким являлись результаты моделирования ядерной зимы.
История
В начале 80-х гг. П. Крутцен и Дж. Биркс обратили внимание на то, что во II мировой войне в результате ковровых бомбардировок американской авиацией немецких городов Гамбурга, Дрездена, Касселя и Дарм-штадта возникали масштабные пожары, в которых образовывались крупные восходящие потоки воздуха - «огненные штормы»2. Они выдвинули идею, что в результате ядерных бомбардировок крупных городов может быть превышена некая критическая масса возникших пожаров, и тогда они станут гигантскими: будет гореть всё3, высоко в атмосферу взлетят гигантские массы дыма и сажи, которые, распространившись на огромные расстояния, перекроют солнечное излучение, и температура атмосферы значительно уменьшится. Этот эффект они назвали «ядерная зима».
В начале 1983 г. группой крупных ученых-климатологов был согласован сценарий, определяющий, сколько продуктов горения будет распылено в атмосфере, на какую высоту, какие размеры частиц и т.п. Среди них был и наш коллега - сотрудник Вычислительного центра АН СССР В.В. Александров. К осени вычисления были закончены, и оказалось, что все результаты почти совпали - падение температуры по прогнозам должно было составить около 20-30 градусов, что потрясло всех. Так начались ставшие всемирно известными работы по прогнозированию ядерной зимы.
То, что среди американских ученых был один советский, не было случайностью. Возможность такого сотрудничества была достигнута в результате инициативы академика Никиты Николаевича Моисеева. В конце 70-х он основал в ВЦ АН СССР два подразделения для изучения и моделирования глобальных биосферных процессов. Одно было призвано моделировать климатические процессы, другое - экологические. К началу 80-х гг. В.В. Александров разработал математическую модель климата Земли самого сложного типа - модель общей циркуляции атмосферы и океана, позволяющую рассчитывать изменения климата на всей поверхности Земли и на разных высотах [1]. К этому же времени А.М. Тарко разработал экологическую модель - модель биогеохимического цикла двуокиси углерода в биосфере,
также с пространственным разбиением [1]. Обе модели были единственными в стране, на которых можно было рассчитывать долгосрочные прогнозы с учетом пространственного разбиения суши и океана.
Н.Н. Моисеев, В.В. Александров и А.М. Тарко в сентябре 1983 г. были на симпозиуме «Коэволюция человека и биосферы» Института жизни в Хельсинки. На этом симпозиуме собрались крупные специалисты в области проблем будущего человечества и биосферы - экономисты, экологи, философы, математики - специалисты из США, Канады, Франции, Швеции, Финляндии, СССР. Перед началом симпозиума В.В. Александров показал Н.Н. Моисееву листок бумаги с графиком падения температуры при ядерной зиме, и тот был потрясен. На этом симпозиуме состоялось его первое выступление о результатах ядерной зимы. Оно произвело неожиданно сильное впечатление на участников. Все были поражены. Так, после выступления В.В. Александрова академик фон Рихт, философ и старейшина финских ученых, пожилой человек, сказал А.М. Тарко: «Я прошел всю войну, но никогда мне не было так страшно».
Организацию работ по ядерной зиме взял на себя SCOPE - Научный комитет по проблемам окружающей среды. Эта известная неправительственная некоммерческая организация со штаб-квартирой в Париже успешно работает по сей день. Она дала ученым возможность собираться вместе на нескольких рабочих совещаниях, привлечь недостающих специалистов. Ею были опубликованы два тома «Последствий ядерной войны» и популярная книга. Первый том был посвящен климатическим последствиям [8], второй -экологическим и сельскохозяйственным [9]. Оба тома вскоре были переведены на русский язык.
В СССР вышли две книги - в первой [4] одна глава содержала результаты В.В. Александрова по моделированию ядерной зимы (его докторская диссертация), во второй [2] были опубликованы результаты экологических, демографических и сельскохозяйственных прогнозов ядерной зимы, выполненных под руководством Ю.М. Свирежева и А.М. Тарко. Также был выпуск ВЦ АН СССР со статьей В.В. Александрова и Г.Л. Стен-чикова [6], содержавшей несколько более поздние расчеты климатических последствий ядерной зимы.
Деятельностью в SCOPE работа ученых по распространению знания о ядерной зиме отнюдь не ограничивалась. Необыкновенно известной фигурой стал советский ученый В.В. Александров. Его приглашали на множество различных конференций, симпозиумов и других мероприятий. Так, Папская академия наук пригласила ученых из США и СССР на совместное заседание, на котором были академик Е.П. Велихов и В.В. Александров. Авторы данной статьи хорошо помнят фотографии, на которых были засняты все
1 Следует отметить, что в развитых странах сведения о ядерной зиме активно распространялись: газеты были полны сведениями об участниках работы и их фотографиями, по ядерной зиме выходили научные и популярные книги. В то же время в СССР появились лишь краткие заметки в центральных газетах по материалам западных источников, несколько научных статей и две научные книги [1, 4], вышедшие малым тиражом и малопонятные неспециалистам. Знание о ядерной зиме в СССР было распространено только
в части научной среды. Видные деятели государств развитых стран обращались к народам с заявлениями о ядерной зиме и ее недопустимости, а средства массовой информации доводили это до всего населения, но в СССР этого не было совсем.
2 Вернер Менде рассказывал одному из авторов этой статьи, что мальчиком он был в Дрездене и видел, как во время сильного пожара после мощной бомбардировки большие чемоданы улетали в небо.
3 Это положение было подтверждено 11 сентября 2001 г. в Нью-Йорке, когда была совершена агрессия террористов, и в результате возникшего сильного вторичного пожара были разрушены два небоскреба.
165
присутствующие ученые, фотографию личной встречи папы Иоанна Павла II и В.В. Александрова4. Еще одним важным событием был визит академика Н.Н. Моисеева и В.В. Александрова в Вашингтон (США) по приглашению сенатора Эдварда Кеннеди и выступление В.В. Александрова в сенате США с докладом про ядерную зиму. После выступления Эдвард Кеннеди подчеркнул, что согласно расчетам та страна, которая начнет ядерную войну, неминуемо погибнет - от своих или чужих ядерных ударов, это будет неважно. Он также отметил важность того, что расчеты ядерной зимы получены независимо американскими и русскими учеными, и что доверия к таким результатам больше.
Не следует думать, что распространение информации о прогнозах ядерной зимы имело везде положительный отклик. Так, в политическом руководстве США были как сторонники, так и противники следования выводам этих прогнозов. В.В. Александров и Н.Н. Моисеев рассказывали авторам данной статьи, что после выступления в сенате они не могли улететь обратно. Якобы ни у одной авиакомпании не было билетов для полета в города СССР. Тогда быстро соображающий и знающий американские законы В.В. Александров вместе с Н.Н. Моисеевым быстро сели на самолет и улетели в Мексику. Оттуда уже без проблем добрались до Москвы.
К сожалению, в разгар событий Владимир Александров бесследно исчез, будучи приглашенным на конференцию мэров неядерных городов в Испании. Известно, что из Кордовы, где проходила конференция, он прилетел в Мадрид, плохо себя чувствуя. Сотрудники советского посольства поселили его в гостиницу, он вышел из нее погулять и... пропал. Через 20 дней должна была состояться защита его докторской диссертации. Предпринятые международные меры найти его ни к чему до сих пор не привели.
Климатические последствия крупномасштабной ядерной войны (ядерная зима)
При анализе возможных климатических последствий крупномасштабной ядерной войны [2, 4] исследователи исходили из сценария, опубликованного в сдвоенном выпуске журнала АМВ1О [7]. Авторы сценария предполагали, что ядерный конфликт будет происходить между двумя основными противоборствующими сторонами и что ядерные удары будут нанесены практически мгновенно. В войне будет использовано менее половины суммарного ядерного арсенала СССР и США. Общий запас ядерных зарядов, израсходованных с обеих сторон, составит 5742 Мт. Ударам подвергнется вся Европа, СССР, Северная Америка и район Дальнего Востока, включающий Японию и Южную Корею. Предполагается, что будут нанесены удары и по странам, не участвующим в войне непосредственно, с целью подрыва их экономического потенциала и уменьшения их значения в послевоенной ситуации.
Крупные города являются первоочередными целями, утвержденными стратегическими планировщиками в ядерных атаках промышленных объектов, составляющих важнейшую часть оборонного и экономического потенциала противника.
Возникающие в городах очаги пламени («первичные» пожары) вызывают обширные «вторичные» пожары. Когда множество очагов пламени тех и других пожаров объединяется в один мощный очаг, образуется «огненный смерч», способный уничтожить целый город (как это и случилось после бомбардировок американской авиацией Дрездена и Гамбурга в конце Второй мировой войны).
Интенсивное выделение тепловой энергии в центре такого гигантского пожара поднимает вверх огромные массы воздуха, создавая в то же время ветры ураганной силы у поверхности земли, которые подают все новые порции кислорода к очагу пожара. Именно в результате «огненного смерча» дым, пыль и сажа, поднимающиеся вверх вплоть до стратосферы, образуют черную тучу, практически полностью закрывающую солнечный свет, и наступает «ядерная ночь».
Расчеты количества аэрозоля, образующегося после ядерных «пожаров цивилизации», сделаны на основании средней величины 4 г горючего материала на 1 см2 поверхности, хотя в ряде крупных современных городов, таких как Нью-Йорк или Лондон, эта величина достигает 40 г/см2 (дерево, пластики, асфальт, топливо и т.д.). По самым осторожным подсчетам, при ядерном конфликте (согласно среднему, так называемому базовому сценарию) образуется около 200 млн т аэрозоля, 30% которого составляет сильно поглощающий солнечный свет элементарный углерод. Обширный район между 30° и 60° с.ш. при пожарах и выделении аэрозоля в количествах, указанных выше, будет практически полностью лишен солнечного света, по меньшей мере на несколько недель.
Расчеты показывают, что время пребывания аэрозоля в атмосфере по сравнению с предыдущими представлениями будет значительно увеличено в силу ряда факторов. Черный слой сажи будет интенсивно нагреваться солнечными лучами и подниматься вверх вместе с нагретыми от него массами воздуха. Конвективные процессы (т.е. режим испарения влаги и выпадения осадков) будут существенно подавлены, осадки уменьшатся, а с ними уменьшится и вымывание аэрозоля. Все это приведет к значительному увеличению длительности ядерной зимы.
Аэрозоль подобно дымной пелене за две недели распространится по Северному полушарию, а за два месяца - из Северного полушария в Южное. В какой бы стране ни взорвались бомбы - все перемешается. Лучи Солнца не будут доходить до поверхности Земли, и температура воздуха в разных местах упадет на 10-30°С. Через год этот аэрозоль должен все-таки осесть на поверхность. К такому выводу пришли Владимир Александров5 и его коллеги, работавшие
4 Фотографию выступления В.В. Александрова на симпозиуме Института жизни в Финляндии и копию фотографии встречи папы Иоанна Павла II и В.В. Александрова можно увидеть в виртуальном музее академика Н.Н. Моисеева, созданном А.М. Тарко: http://www.ccas.ru/manbios/mois_r.html.
5 Хочется отметить, что прогнозы климатических последствий ядерной зимы были сделаны В.В. Александровым на пространственной модели общей циркуляции атмосферы и океана, а последовавшие вскоре за ними расчеты других авторов в СССР были получены на точечных моделях, которые не давали сравнимой детальности описания явления.
166
Рис. 1. Изменение температуры воздуха у подстилающей поверхности для сценария ядерной войны с суммарной мощностью 10 000 Мт через 40 суток после начала войны [6].
под руководством академика Никиты Николаевича Моисеева в Вычислительном центре АН СССР (рис. 1).
Отметим, что в Южном полушарии будет также значительное снижение температуры атмосферы. Расчеты показывают, что пыль, дым и темнота могут распространиться на тропики и большую часть Южного полушария. Таким образом, даже невоюющие страны, включая находящиеся вдалеке от района конфликта, будут испытывать его губительное воздействие. Такие страны, как Индия, Бразилия, Нигерия или Индонезия, могут быть разрушены в результате ядерной войны, несмотря на то, что на их территории не разорвется ни одна боеголовка. Ядерная зима означает существенное усиление масштабов страданий для человечества, включая нации и регионы, не вовлеченные непосредственно в ядерную войну.
Указанные расчеты ядерной зимы были получены на основе сценария крупномасштабной ядерной войны. Однако были проведены и другие расчеты. Они основаны на сценарии, согласно которому в войне будет использовано «всего» 100 Мт ядерного арсенала (столько в то время могла нести и быстро выпустить американская подводная лодка), но при условии, что все заряды будут направлены на крупные города. Оказалось, что ядерная зима почти такой же силы при этом возникнет тоже (рис. 2). Она продлится более короткое время - около двух-трех месяцев - но этого достаточно для уничтожения значительного процента живого на Земле. Выявленная нечувствительность эффекта ядерной зимы к количеству использованного ядерного оружия означает недопустимость не только крупномасштабной, но и так называемой ограниченной ядерной войны.
1ВОЕ
180 №
Рис. 2. Карты падения температуры воздуха у поверхности земли через месяц после ядерной войны мощностью 10 000 Мт (А) и 100 Мт (Б) [4].
167
Экологические последствия крупномасштабной ядерной войны (ядерная зима). Прогнозы гибели растительности в результате действия ядерной зимы
В СССР оценка экологических последствий крупномасштабной ядерной войны была проведена на основе климатических расчетов В.В. Александрова группой ученых из разных организаций под руководством Ю.М. Свирежева и А.М. Тарко [2]. Здесь приводятся результаты воздействия факторов падения температуры и уменьшения освещенности на растительный и животный мир [2]. Эти результаты были получены А.М. Тарко совместно с Н.Ф. Писаренко и А.Д. Армандом.
Экологическое воздействие факторов «ядерная зима» и «ядерная ночь» на экосистемы — наиболее трудно поддающийся оценке компонент ядерной войны. Если действие такого фактора, как радиация, можно оценить по результатам уже проведенных испытаний ядерного оружия, то ядерная зима не встречалась в истории биосферы. Мы сначала рассмотрим некоторые общие аспекты воздействия низких температур и низкой освещенности на экосистемы, а затем для получения оценок используем имеющуюся информацию по действию факторов, близких к факторам ядерной зимы.
Для оценки падения температуры и освещенности при ядерной зиме использованы результаты расчетов по модели общей циркуляции атмосферы и океана ВЦ АН СССР [6] (рис. 1).
Почти полное блокирование солнечного излучения ядерным аэрозолем приводит к быстрому падению температуры поверхности материков в Северном полушарии. В течение 15 дней температура нижних слоев воздуха падает на 10-50°С, а затем начинает медленно расти. В тропиках температура через месяц падает до 0°С. За три месяца волна загрязнения докатывается до Антарктиды. Долговременное падение температуры в Южном полушарии в среднем составляет 5-8°С. Охлаждение южных океанов изменяет динамику ядерной зимы и увеличивает продолжительность похолодания. Через три месяца после начала ядерного конфликта верхние слои воздуха над Антарктидой замутятся. Вслед за облаками сажи на материки Южного полушария распространится ядерная зима. Вплоть до 30° ю.ш. температура воздуха над материками упадет на 1-4°С. Через год все климатические факторы приблизятся к норме.
Есть два фактора действия ядерной зимы на растительность. Первый - это похолодание, второй - снижение освещенности. Рассмотрим действие каждого из них. Растения можно разделить на чувствительные к холоду и чувствительные к морозу. Чувствительные к холоду растения гибнут или получают повреждения при температуре выше 0°С, а чувствительные к морозу - ниже 0°С. Первопричиной гибели растений чувствительных к холоду является переход клеточных мембран из преимущественно жидкокристаллического состояния в состояние геля вследствие затвердевания липидов мембран. Причиной гибели растений чувствительных к морозу является образование льда внутри клеток или в межклеточном пространстве.
Холодостойкость и морозостойкость не являются постоянными свойствами растений, а в соответствии с генотипом формируются в процессе онтогенеза под
влиянием условий внешней среды. Морозостойкость резко меняется в течение года. Она минимальна летом и максимальна зимой.
Чтобы стать морозостойкими, согласно И.И. Туманову [5], растения должны пройти последовательно три этапа подготовки: войти в состояние физиологического покоя, пройти первую, а затем вторую фазу закаливания. Высокая морозостойкость у растений формируется не сразу, она повышается поэтапно: сначала при вхождении в период покоя после окончания вегетационного сезона, затем при закаливании и, наконец, в результате медленного и постепенного нарастания морозов во второй фазе закаливания. Максимальная морозостойкость достигается в наиболее суровое время года.
Каждый из этих этапов является подготовительным для прохождения следующего. Если какое-либо звено в такой длительной (несколько месяцев) подготовке растений к зиме выпадает или проходит неудовлетворительно, то растение оказывается не в состоянии приобрести необходимую морозостойкость. Например, из-за летней засухи плодовые насаждения часто не успевают нормально закончить вегетацию. Поэтому они не успевают подготовиться к зиме и погибают при таких морозах, которые при благоприятных летних условиях выдерживают без труда. Сибирская пихта выдерживает морозы до -60°С вблизи полюса холода в Сибири, образуя там обширные леса, и подмерзает на берегах Рейна в теплом климате Центральной Европы.
В процессе эволюции растения приспособились к смене времен года и связанным с этим понижению температуры воздуха или наступлению засушливого сезона. У многолетних растений при переходе в состояние покоя почти прекращается рост и начинается интенсивное накопление сахаров, а затем полностью или почти полностью прекращается фотосинтез, опадают листья у лиственных растений. В процессе закалки в клетках растений активно накапливаются защитные вещества (криопротекторы) в виде сахаров, водорастворимых белков, органических кислот, а также повышается ненасыщенность липидов [3], происходят сложные конформационные изменения белков. У древесных растений отмечено существенное (до 4050%) снижение содержания воды в стволе. Все эти перестройки способствуют перенесению растениями низких температур.
Для перехода растений в состояние покоя необходим достаточный уровень освещенности на начальном этапе этого процесса. Все процессы, связанные с переходом в состояние покоя, требуют определенных затрат энергии. Источником этой энергии являются ассимиляты, образующиеся при фотосинтезе. Переход в состояние покоя начинается с того, что рост растения прекращается, а ассимиляты начинают накапливаться в виде сахаров — мобильных источников энергии. Поэтому, если освещенность в начале перехода в состояние покоя будет низкой, то растения не получат достаточного количества энергии для необходимых перестроек. В обычных условиях к концу вегетационного периода освещенность несколько снижается, однако она достаточна для перехода в состояние покоя.
При значительном снижении освещенности (в 20-100 раз по сравнению созначениемосвещенности
насыщения фотосинтеза) поступление энергии снижается настолько, что не покрывает затрат на дыхание, и чистый фотосинтез становится равным нулю. Эта так называемая компенсационная интенсивность освещенности 1к различна у разных видов растений и тем меньше, чем меньше температура воздуха. Если освещенность падает ниже значения 1к, то растение может погибнуть.
Растения одного вида в одном фитоценозе по-разному переносят действие низких температур и осве-щенностей. Ослабленные деревья, старые и совсем молодые переносят действие этих факторов хуже, чем остальные. Поэтому, если действует низкая температура или освещенность, которая не достигает предельных значений для гибели большинства растений, то некоторая часть растений все равно погибнет. Процент гибели растений будет тем больше, чем ближе к предельным значениям температура или освещенность.
Мы рассмотрим два крайних случая. В первом ядерный конфликт происходит в июле, во втором -в январе. Абсолютные значения температуры воздуха у подстилающей поверхности для разных участков Земли получены путем вычитания рассчитанной величины падения температуры из стандартных средних летних значений для случая, если ядерная война началась летом. Аналогично - для случая, если она началась зимой.
Июль - самый теплый месяц в Северном полушарии. Согласно нашим расчетам, через 15 суток после распространения загрязнения в Северном полушарии температура воздуха у поверхности суши почти во всем Северном полушарии станет ниже нуля. Нулевая изотерма пройдет через экватор. На 9-й день после распространения загрязнений освещенность севернее 18° с.ш. будет меньше 3,6^10-5 Вт/м2. Такая освещенность в (3-80)^104 раз меньше компенсационной освещенности растений 1к, измеренной при нормальной температуре. Можно считать, что поступление энергии в растения прекратится. Успеют ли растения приспособиться к низким температурам? Можно утверждать, что нет.
Для растений северной и средней полосы в обычных условиях окончания сезона вегетации время перехода в состояние покоя больше двух недель. Основным фактором, вызывающим начало перехода в состояние покоя, является сокращение длины светового дня. В меньшей степени влияет уменьшение температуры воздуха. От начала действия этого фактора до начала перехода в режим запасания сахаров проходит минимум 3-5 дней. Если за это время в условиях начинающейся ядерной зимы запуск механизма перехода в состояние покоя произойдет, то в связи с быстрым и сильным уменьшением освещенности растения не успеют накопить достаточного количества асси-милятов (будет накоплено не более 10% от необходимого), и переход в состояние покоя не произойдет. Последующее действие отрицательных низких температур в течение более трех месяцев неизбежно приведет к гибели растений.
Аналогично, не успеют перейти в состояние покоя и погибнут в условиях низких температур и отсутствия света субтропические растения. Вымерзнут растения, у которых переход в состояние покоя происходит в связи с наступлением сухого пе-
риода. В тропических влажных лесах освещенность будет выше компенсационной (70 Вт/м2 на 40-й день и 50 Вт/м2 на 99-й день после начала ядерной войны), но поскольку растения этих лесов не обладают способностью переходить в состояние покоя и закаливаться, то и они погибнут от действия низких температур.
В Южном полушарии в июле - зима, падение температуры составит для широтной зоны (0-12)° ю.ш. (1-4)°С, а освещенность - 30% от исходной. В таких условиях не все растения выдержат длительное снижение температуры, а главное - освещенности. В этом случае будет проявляться указанный выше эффект преимущественного поражения ослабленных, старых и молодых деревьев. Данную зону в основном занимают тропические леса. Около 60% растений верхнего яруса этих лесов находятся в климаксном состоянии, у них отсутствует прирост, и фотосинтез равен дыханию. Уменьшение освещенности приведет к дефициту энергии, который данные растения будут не в состоянии скомпенсировать. Поэтому эти растения погибнут.
Вместо погибших растений преимущество получат теневыносливые растения. Эти растения будут препятствовать росту молодых светолюбивых растений, находящихся под их пологом. Молодые светолюбивые растения погибнут из-за затенения теневыносливыми. Учитывая соотношение светолюбивых и теневыносливых растений в тропических лесах, мы получим, что в целом погибнет около 50% растений.
В широтной зоне южнее 12° с.ш. уменьшение температуры не будет превосходить 3°, а освещенности -4%. Это не вызовет значимых повреждений растений.
Во всех зонах семена растений сохранятся. Прорастание упавших в землю семян происходит в течение нескольких лет. Поэтому после окончания ядерной зимы созревшие и попавшие в землю до ее наступления семена смогут в течение нескольких лет прорасти. Однако около 15-20% видов растений погибнет безвозвратно (согласно экспертным оценкам биогеографов).
Таким образом, если ядерная война начнется в июле, то вся растительность Северного полушария погибнет, а в Южном погибнет частично (рис. 3).
Гибель животных в Северном полушарии в таких обстоятельствах определяется недостатком пищи и сложностью ее поиска в условиях ядерной ночи. В тропических и субтропических районах важным фактором является холод. Погибнут многие виды млекопитающих, все птицы. Рептилии могут сохраниться.
Январь - самый холодный месяц в Северном полушарии. Растения северной и средней полосы находятся в это время в состоянии покоя. Поэтому переносимость ими ядерной зимы определяется величиной морозов.
Наибольшее падение температуры будет в широтной полосе 12-36° с.ш. - до 54°С. Абсолютные значения температуры в этой зоне будут от -6°С до -42°С. Падение температуры на Крайнем Севере в полосе 48-62° с.ш. составит 11-38°С. При этом абсолютные значения температуры будут от -15°С до -72°С.
Рассмотрим действие ядерной зимы в этом случае на разные типы растительности. Будем придерживаться биогеографического принципа рассмотрения.
169
Рис. 3. Степень гибели растений под действием факторов ядерной зимы в случае, если ядерный конфликт происходит в июле: 1 - гибель 100% растений, 2 - гибель 50% растений, 2 - гибели растений нет.
1. Тундра, лесотундра, таежные леса, широколиственные леса.
Для оценки способности растений этих зон переносить морозы были сопоставлены распределения отдельных пород деревьев и средние абсолютные минимумы температур. Анализ этих данных позволил оценить минимальные температуры, которые способны переносить деревья зимой (табл. 1).
Табл. 1.
Максимальная морозостойкость деревьев (время действия морозов 1 месяц)
Деревья Морозостойкость зимой, °С
Бук -25
Дуб -40
Береза -55
Ель -65
Сосна -65
Пихта -65
Кедр -55
Лиственница -65
Е сли сопоставить обычные температуры зимой, температуры во время ядерной зимы и соотношения пород деревьев, то, при использовании данных наблюдений гибели деревьев в аномальные зимы, можно оценить процент гибели деревьев для каждого участка суши. Эта процедура осуществлялась экспертным методом. Были сопоставлены процент гибели растений в обыч-
ные зимы, соответствующий средним многолетним условиям, и процент гибели растений в аномальные зимы с длительными морозами. Данные о проценте гибели растений под действием морозов ядерной зимы были получены путем линейной экстраполяции вышеприведенных чисел.
Оказалось, что в связи с разными значениями температур в обычную зиму и разным падением температуры при ядерной зиме степень гибели одних и тех же растений в Европе, Сибири и Северной Америке будет различной. Данные о гибели растений трех регионов представлены в табл. 2.
На карте типов растительных сообществ (рис. 4) отмечены соответствующие области, занятые указанными в табл. 2 растительными сообществами.
2. Степи.
Холода в зоне степей приведут к гибели надземной части растений и к почти полному вымерзанию их кор -невой системы. Морозостойкость надземной части травянистых растений в зоне степей находится в диапазоне от -11°С до -20°С, а температура в ядерную зиму здесь будет в диапазоне от -23°С до -30°С. В течение нескольких месяцев возможно выживание ряда луковичных растений. В целом, погибнет около 90% растений.
3. Высокогорные пустыни, альпийские,
субальпийские луга.
Горная растительность приспособлена переносить значительные низкие температуры. Поэтому такие растения частично смогут выдержать ядерную зиму. Погибнет около 75% растений. В альпийских и субальпийских лугах Тибета падение температуры составит более 50°С, и при сильном падении освещенности их растительность погибнет почти полностью.
170
Рис. 4. Степень гибели растений под действием факторов ядерной зимы в случае, если ядерный конфликт происходит в январе (обозначена доля погибших растений): 1 - 100%, 2 - 90%, 3 - 75%, 4 - 50%, 5 - 25%, 6 - 10%, 7 - гибели растений нет.
4. Тропические и субтропические леса, саванны.
Переносимость факторов ядерной зимы этой растительностью будет такой же, как и в случае, когда ядерный конфликт произойдет в июле. Поэтому гибель растений также будет полной.
5. Растительность Южного полушария.
В январе в Южном полушарии лето. Переносимость факторов ядерной зимы растениями экваториальной зоны в этот период будет незначительно отличаться от переносимости в случае, если ядерная война начнется в июле. Это объясняется тем, что в тропической зоне различие температур зимы и лета невелико.
В более южной части полушария изменение температуры и освещенности будет слабым, и влияние факторов ядерной зимы будет незначительным.
6. Гибель агроэкосистем.
В ситуации ядерной зимы можно говорить о возможности выживания озимых злаков. Все остальные зимующие агроценозы (плодовые растения и др.), как показывают результаты сравнения морозостойкости и абсолютных значений температур в ядерную зиму, погибнут. Морозостойкость озимой ржи составляет -30°С, а пшеницы, в зависимости от сорта, от -16°С до -26°С. В ядерную зиму температуры
Табл. 2.
Гибель растительности в некоторых типах растительных сообществ (ядерная война начинается в январе)
Тип растительности Гибель растительности, %
Европа Сибирь Северная Америка
Арктические пустыни, тундра 25 10 25
Лесотундра, северо-таежные леса 25 10 50
Среднетаежные, южно-таежные леса 50 25 75
Широколиственно-хвойные, широколиственные субтропические леса 100 100 100
Степи 90 90 90
171
Рис. 5. Изменение концентрации СО2 в атмосфере (в относительных единицах по отношению к современной концентрации) и температуры после крупномасштабной ядерной войны. За нулевой принят год от окончания ядерной войны.
в зоне озимых культур будут в диапазоне от -22°С до -40°С. Следовательно, небольшая часть (около 10%) озимых может выдержать морозы. Однако вероятность их выживания после прекращения ядерной зимы (за счет действия других факторов ядерной войны) практически равна нулю.
Если ядерная война начнется в январе, то гибель животных в умеренных и высоких широтах Северного полушария будет определяться сильными холодами и сложностью при низкой освещенности найти достаточно пищи для поддержания возросших в этих условиях энергетических потребностей. Гибель млекопитающих и птиц в этих условиях будет полной. Гибель животных в тропической зоне будет приблизительно такой же, как и в случае ядерной войны, начавшейся в июле.
7. Океан.
Океан является наиболее консервативным блоком биосферы. За счет своих размеров он демпфирует многие локальные колебания климатических и биогеохимических факторов. Наибольшее влияние на его экосистемы в случае ядерного конфликта окажет, по-видимому, ядерная зима. Однако по расчетам в течение ядерной зимы поверхностный слой океана охладится на 1-2°С [4]. Поэтому основным фактором, влияющим на биоту океана, будет падение освещенности и полное прекращение фотосинтеза. Произойдет значительное уменьшение количества фитопланктона, но полной гибели его не будет, так как многие виды перейдут в состояние покоя и переживут ядерную зиму. По ее окончании количество фитопланктона восстановится в течение нескольких лет. Возможна гибель многих видов рыб, главным образом из-за отсутствия достаточного количества пищи и невозможности ее найти из-за низкой освещенности. Однако полного распада трофической пирамиды не произойдет, поскольку в пищевых цепях останутся нетронутыми бактериопланктон и растворенное органическое вещество.
Таким образом, самое сильное воздействие ядерная зима окажет на экосистемы суши. Если война начнется летом, то вымерзнет большая часть растительности Северного полушария. Тропическая растительность будет уничтожена в любом случае.
Образовавшиеся огромные площади мертвых лесов будут служить материалом для вторичных лесных пожаров. Разложение этой мертвой органики приведет к выбросу в атмосферу большого количества углекислого газа, серьезно нарушится глобальный цикл углерода. Уничтожение растительности (особенно в тропиках) вызовет активные процессы эрозии почвы. Погибнут практически все виды млекопитающих и птиц.
Ядерная зима нанесет серьезный ущерб агро-экосистемам. Вымерзнут все плодовые деревья, виноградники и т.п. Погибнут практически все популяции сельскохозяйственных животных, поскольку инфраструктура животноводства будет разрушена.
Восстановление части растительности возможно (сохранятся семена), но этот процесс будет замедлен воздействием других факторов ядерной войны.
Долговременные климатические последствия ядерной зимы
После окончания ядерной зимы для большинства экосистем интенсивность круговорота химических элементов (углерод, азот и др.), а также общее количество вещества, участвующего в круговороте, уменьшится. В результате увеличится количество СО2 в атмосфере, увеличится накопление биогенных элементов в водоемах.
Из-за пожаров в атмосферу поступит значительное количество СО2. Гибель деревьев в результате климатического и радиационного стрессов приведет (за счет разложения органического вещества древесины) к дополнительному потоку СО2 в атмосферу. В результате уменьшения продуктивности растений суши количество гумуса также станет уменьшаться. Следовательно, суша станет источником
172
атмосферного СО2. Поглощение избытков атмосферного СО2 долгое время будет определяться океаном.
Сделаем оценку изменения СО2 в атмосфере и средней глобальной температуры на основании следующего сценария. Считая, что 20% лесов Северного полушария сгорит во время пожаров, получим, что количество СО2 в атмосфере практически мгновенно повысится на 15%. Затем во время ядерной зимы погибнут все леса Северного полушария и тропиков. Соответствующие площади в течение пяти лет зарастут травяной и кустарничковой растительностью. Процессы разложения мертвой органики, подстилки и гумуса после ядерной зимы через три года восстановятся полностью. Прозрачность атмосферы восстановится сразу после окончания ядерной зимы.
По этому сценарию с помощью модели [4,10] были рассчитаны динамика изменения атмосферного СО2 и средней глобальной температуры (рис. 5).
Основной поток углерода в атмосферу через три года после войны будет определяться разложением мертвой органики, погибшей во время ядерной зимы.
Через 30 лет количество СО2 в атмосфере увеличится в 1,6 раза, а температура (за счет парникового эффекта) поднимется на 1,3°С. Затем начнется медленный спад, который будет продолжаться до 100150 лет.
Общий вывод, касающийся биогеохимических циклов, состоит в том, что уничтожение лесов и замена лесных экосистем травяными и болотными резко уменьшают устойчивость биосферы в целом и ее способность к демпфированию климатических вариаций. Это объясняется тем, что лесные экосистемы наиболее эффективно регулируют глобальный углеродный цикл и тесно связанную с ним глобальную температуру атмосферы. Поэтому климат станет менее устойчивым.
Литература
1. Александров В.В., Архипов П.Л., Пархоменко В.П., Стенчиков Г.Л. Глобальная модель системы океан - атмосфера и исследование ее чувствительности к изменению концентрации СО2. // Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана. - 1983. - Т. 19. -№ 5. - С. 451-458.
2. Александров Г.А., Арманд А.Д., Свире-жев Ю.М., Тарко А.М. и др. Математические модели экосистем. Экологические и демографические последствия ядерной войны / Под ред. А.А. Дородницына. - М.: Наука, 1986. - 176 с.
3. Касперска-Палач А. Механизм закаливания травянистых растений // Холодостойкость растений / Под ред. Г.А. Самыгина. -М.: Колос, 1983. - С. 112.
4. Моисеев Н.Н., Александров В.В., Тарко А.М. Человек и биосфера. Опыт системного анализа и эксперименты с моделями. - М.: Наука, 1985. - 272 с.
5. Туманов Н.И. Физиология закаливания и морозостойкости растений. - М.: Наука, 1979.
6. Aleksandrov V.V., Stenchikov G.L. On the modelling of the climatic consequences of the nuclear war. - Moscow: Computer Center, USSR Acad. Sci., 1983.
7. Ambio. 1982. V. 11, N 2-3.8.
8.Большаков В.Н., Кряжимский Ф.В., Павлов Д.С. Перспективные направления экологичес-кихисследованийв России // Экология. - 1993. -№ 3. - С. 3-16.
9. Environmental Consequences of Nuclear War. Physical and Atmospheric Effects. SCOPE 28. - Eds.: Pittock A.B., Ackerman T.P., Crutzen P.J., MacCracken M.C., Shapiro C.S., Turco R.P. - Wiley, U.K., 1985. - V. 1. - 359 p.
10. Environmental Consequences of Nuclear War. Ecological and Agricultural Effects. SCOPE 28. - Eds.: Harwell M.A., Hutchinson T.C. - Wiley, U.K., 1985. - V. 2. - 523 p.
11. Тарко А.М. Моделирование глобальных биосферных процессов в системе атмосфера -растения - почва // Динамическое моделирование в агрометеорологии / Ред. Ю.А. Хвален-ский. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - С. 8-16.
173
