НЕПРИМИРИМЫЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ

АТМОСФЕРНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЯДЕРНОЙ КАТАСТРОФЫ: ПОИСК ПРИРОДНЫХ АНАЛОГОВ Г.С.ГОЛИЦЫН, А.С.ГИНЗБУРГ

Ядерный конфликт отличается от всех известных нам войн и природных бедствий огромными и труднопредсказуемыми вторичными долговременными воздействиями, губительными для тех, кто выживет непосредственно после ядерных взрывов. И хотя сейчас понятны далеко не все возможные последствия ядерной войны для человечества и окружающей среды, совершенно ясно, что уже известные эффекты не оставляют иллюзий на благополучное "послевоенное" будущее даже для отдаленных от "театра военных действий" регионов Земли. В истории Земли и всей Солнечной системы, очевидно, не было таких глобальных катастроф, представляющих собой комплекс дополняющих и усугубляющих друг друга эффектов, которые по тяжелейшим последствиям могли бы сравниться с возможными результатами ядерной войны. Ядерная война - катастрофа для всех без исключения.

Воздействие ядерных взрывов на климатическую систему Земли

Исследования естественных изменений климата и антропогенных воздействий на него вследствие развития мирового хозяйства показывают, что климатическая система Земли (океан, суша, атмосфера, льды, биосфера) эволюционирует сравнительно медленно за время порядка десятилетий и более. При изучении эволюции такой сложной многопараметрической системы (с множеством положительных и отрицательных обратных связей), в которой значительную роль играет численное моделирование соответствующих процессов на ЭВМ, следует рассматривать наиболее вероятные изменения окружающей среды и оптимальные пути развития мирового хозяйства в изменяющихся климатических условиях.

При изучении возможных глобальных катастрофических явлений, каким предстает мировой ядерный конфликт, необходимо рассматривать все, даже кажущиеся сейчас маловероятными, механизмы развития региональных и глобальных последствий. Перестройка режима атмосферы и других частей климатической системы Земли может в этом случае развиваться значительно быстрее, чем при естественных и повседневных антропогенных изменениях.

Различные природные процессы можно сравнивать путем сопоставления их энергетики или же посредством изучения вызываемых ими последствий. Энергию ядерных взрывов измеряют обычно в единицах тротилового эквивалента: при взрыве заряда в 1 Мт выделяется энергия 4,2-10¹⁵ Дж, равная тепловой энергии взрыва 1 млн. т тринитротолуола (тротила).

При взрыве имеющихся арсеналов ядерного оружия (приблизительно 12 тыс. Мт) выделится энергия 0,5-10²⁰ Дж, т.е. равная энергии, получаемой Землей от Солнца менее чем за пять минут. Если, наоборот, измерять солнечную энергию в мегатоннах, то допустимо сказать, что Солнце для Земли служит источником энергии мощностью примерно 40 Мт/с. Ядерный конфликт с использованием всех имеющихся зарядов дает около 0,3% суточного поступления солнечной энергии.

Основным в атмосферных эффектах при ядерных взрывах не является непосредственное выделение энергии. Так, если бы вся энергия ядерных взрывов пошла бы на разогрев земной атмосферы, то ее средняя температура поднялась бы всего на 0,01° С, однако локальные разогревы могут быть весьма значительными.

Поскольку ядерная энергия при взрывах расходуется не только на нагрев поверхности и атмосферы, становится понятным, что сами взрывы, как бы разрушительны они ни были, не в состоянии стать причиной кардинальной перестройки энергетики природных процессов, таких, как формирование температурного режима и влагообмена, перестройки и циркуляции атмосферы и океана. Катастрофическими оказываются именно вторичные эффекты ядерных взрывов.

Окислы азота и разрушение озона

В огненном шаре ядерного взрыва образуются большие количества окислов азота, которые вступают в реакцию с атмосферным озоном. В стратосфере эти реакции приводят к разрушению озона на 30-70% (по разным оценкам в зависимости от сценариев войны), а в нижней тропосфере - к образованию озона. Этот суммарный климатический эффект в отсутствии других изменений мог бы привести к повышению температуры поверхности Земли на несколько градусов за счет увеличения проходящей в тропосферу ультрафиолетовой радиации и усиления парникового эффекта из-за повышения концентрации тропосферного озона ((См.: Александров Э.Л., Каролъ И.Л., Ракипова Л.Р., Седунов Ю.С., Хргиан А.Х. Атмосферный озон и изменения глобального климата. Л,: Гид-рометеоиздат, 1982, 168 с.)). Приблизительно за два-три года озон восстанавливается, а парниковый эффект за то время может еще в полной мере не проявиться вследствие большой термической реакции океана.

Дополнительную и, весьма вероятно, существенную роль в разрушении стратосферного озона должен играть аэрозоль, образующийся в результате ядерных взрывов.

Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что на аэрозольных частицах тоже происходит разрушение озона. Так, после крупных извержений вулканов существенно уменьшается количество озона в слоях, содержащих стратосферный аэрозоль вулканического происхождения.

Группа сотрудников Института физики атмосферы АН СССР предложила объяснение одному эффекту, замеченному советским космонавтом Г.М.Гречко и названному "космические зори". Наблюдая их, Г.М.Гречко обратил внимание на существование выше горизонта синих полос, внутри которых есть более светлые. На основе расчетов синие полосы были отождествлены с прохождением света через стратосферный слой озона. Более светлые - соответствуют уменьшению концентрации озона на определенных высотах. Наиболее убедительной в настоящее время причиной таких уменьшений концентрации представляется разрушение озона в аэрозольных слоях атмосферы ((См,: Гречко Г.М., Еланский Н.Ф., Савченко С.А., Терехин Ю.Л. О возможности визуального контроля состояния озоносферы с орбитальной станции. - Докл. АН СССР, 1983, т, 271, № 1, с, 76-80)).

Человечество однажды уже предприняло непреднамеренную попытку разрушить озонный слой, надежно защищающий нас от избыточного ультрафиолетового излучения. Это была последняя серия интенсивных испытаний ядерного оружия в атмосфере в конце пятидесятых - начале шестидесятых годов, когда суммарная мощность взорванных зарядов составила около 300 Мт. Определение эффекта воздействия тех испытаний на общее количество озона по данным мировой озонометрической сети представляет собой сложную задачу, поскольку существует заметная естественная изменчивость озона во времени и пространстве. Однако в 1981 г. с помощью специальной методики обработки исходных данных американскому ученому Г.С. Рейнселу удалось с достаточной степенью уверенности оценить, что за год, следующий за испытаниями, содержание озона в атмосфере уменьшилось на 3±1,5% ((См.: Reinsel G.C. Analysis of total ozone date for the detection of recent trends and the effects of uncleartesting during the 1960's. - Geophys. Res. Lett,, 1981, vol. 8, N12, p. 1227-1230)), что вполне согласуется с теоретическими оценками.

Уменьшение плотности озонного слоя повлечет увеличение ультрафиолетовой радиации на поверхности Земли, что окажет угнетающее воздействие на биосферу, приведет к повышению частоты мутаций, подавлению иммунитета, увеличению заболеваний раком кожи.

Массовые пожары и "ядерная зима"

Основной причиной, которая в случае ядерной войны может привести к глобальной климатической катастрофе, большинство ученых мира, занимающихся этой проблемой, считает огромное количество дыма и сажи в атмосфере из-за массовых пожаров.

При пожарах выход дыма в атмосферу составляет несколько процентов от массы сгоревшего материала. Обычно принимается цифра в 2%. Если подсчитать, сколько материала может сгореть в городах в результате возможного крупномасштабного ядерного конфликта, то получится порядка 100-200 млн. т дыма. Эти оценки были получены независимо у нас в стране и в США. "Дополнительный вклад" дают лесные пожары. Уже первые оценки голландца П.Крутцена и американца Дж.Беркса в 1982 г. показали, что дым только от лесных пожаров на площади в 1 млн. км² может ослабить солнечный свет у поверхности Земли в десятки и сотни раз ((См.: Crutzen P.J., Birks J.W. The atmosphere after the nuclear war: Twilight at noon. - Ambio, vol. 11, N 2/3, p. 114-125)). В дальнейшем эти данные многократно уточнялись, но основной вывод остался неизменным.

Энергия, выделяемая при пожарах, как минимум, на порядок превышает энергию самих взрывов. Если бы все ядерные заряды вызвали крупномасштабные пожары, то энергия этих пожаров оказалась бы равна кинетической энергии ветров в земной атмосфере, что неминуемо привело бы к полной перестройке атмосферной циркуляции и кардинальным изменениям погоды на всей Земле ((CM.: Голицын Г.С., Гинзбург А.С. Климатические последствия возможного ядерного конфликта и некоторые природные аналоги. М., 1983. 33 с. Препр.)). Ведь даже пожары городов и лесов на ограниченной территории порядка миллиона квадратных километров приводят к катастрофическим последствиям из-за огромных количеств пепла, сажи и дыма, поднятых в атмосферу.

Аэрозольные частицы поглощают и рассеивают солнечное излучение, что соответственно дополняет разогрев атмосферы и уменьшает солнечную энергию у поверхности. К тому же аэрозоль поглощает тепловое излучение от поверхности, т.е. может привести к некоторому увеличению парникового эффекта атмосферы.

Если аэрозоль слабо поглощает солнечное излучение (например, пыль или продукты вулканических извержений), то температурный эффект подобен облачному. Облака днем или летом охлаждают поверхность, отражая и рассеивая часть солнечных лучей, а ночью или зимой уменьшают выхолаживание, задерживая тепловое излучение поверхности.

Изменения средней температуры суши при разных сценариях ядерной войны. 1 - 5000 Мт; 2 - 100 Мт, атака на крупные города; 3 - 10000 Мт, максимальное количество пожаров

В глобальном масштабе увеличение количества рассеивающего аэрозоля приведет к похолоданию из-за увеличения отражательной способности (альбедо) Земли. Это похолодание частично компенсируется увеличением парникового эффекта за счет поглощения аэрозолем теплового излучения поверхности. Эффект, получаемый в результате, зависит от оптических свойств и высоты расположения аэрозольного облака. Но во всех случаях, регулируя потоки солнечного и теплового излучений, аэрозоль, как и облачность, сглаживает температурные контрасты.

Дым, сажа и особенно продукты городских пожаров значительно сильнее, чем пыль, уменьшают доступ солнечной энергии к поверхности Земли. Одновременно перечисленные поглощающие аэрозоли могут уменьшить отражательную способность Земли. В результате задымления атмосферы создается ситуация, когда солнечное излучение поглощается в атмосфере, а земную поверхность нагревает не Солнце, а тепловое излучение атмосферы.

В обычных условиях главной примесью, вызывающей в атмосфере парниковый эффект, является водяной пар. Однако 70% его сосредоточено в нижних 3 - 4 км атмосферы. И если основное поглощение солнечного излучения будет происходить выше, то парникового эффекта просто не будет.

По мере роста содержания поглощающих частиц в атмосфере сначала преобладает эффект уменьшения альбедо и поверхность прогревается. Но затем при сильном задымлении атмосферы, как показано в работах советских и американских ученых, поверхность суши остывает на десятки градусов, приспосабливаясь к температуре верхнего поглощающего аэрозольного слоя (см. рисунок). Совместное действие продуктов горения и пыли, заброшенной в стратосферу, увеличивает похолодание ((См.: Turco R.P., Toon O.B., Ackerman Т. Et al Nuclear winter: Global consequences of multiple nuclear explosions. - Science, 1983, vol. 222, N 4630, p. 1283-1293; Обухов А.М., Голицын Г.С. Возможные атмосферные последствия ядерного конфликта. - Земля и Вселенная, 1983, № 6, с. 5-13; On the modeling of the climatic consequences of the nuclear war. Moscow: Computing Center of the Academy of Sciences USSR, 1983. 21 p. Prepr.)). Наступает "ядерная зима".

Поверхность суши охладится на 30-40° С, а поверхность океана - всего на несколько градусов. В то же время атмосфера над океаном и сушей прогреется на 10 - 20° С. И над сушей, и над океаном уменьшается скорость понижения температуры с высотой. Ослабляется влагообмен атмосферы с поверхностью, уменьшается количество осадков из средних и верхних слоев тропосферы. Все это приведет к тому, что время пребывания дыма в атмосфере резко увеличится. "Ядерная зима" удлинится.

Частичные природные аналоги последствий ядерной войны

В начале статьи уже говорилось, что история Земли не знает природных катастроф, по комплексу своих воздействий на человечество и всю живую природу сравнимых с глобальными последствиями ядерной войны. Однако в природе бывают стихийные бедствия и явления, дающие частичное представление о масштабах отдельных эффектов ядерной катастрофы. Рассмотрим некоторые из них, помогающие представить хотя бы частично механизм формирования "ядерной зимы".

Крупные природные пожары

Человечество на протяжении своей истории помнит грандиозные пожары, когда горели города и селения, поля и леса. Приведем ряд исторических свидетельств о некоторых лесных пожарах, дым от которых расстилался на огромных площадях.

Русские летописи хранят сведения об огромных лесных пожарах начиная с 1092 г. В "Никоновской летописи" рассказывается, как 1371 г. горели гигантские лесные массивы, когда в густом дыму, стоявшем два месяца, простым глазом были видны пятна на Солнце. К горевшем лесам добавлялся урон от горевших пересохших болот. Дикие звери, потеряв чутье, бродили среди людей ((См.: Борисенков Е.Л., Пасецкий В.М. Экстремальные природные явления в русских летописях XI-XVII вв. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 239 с.)).

Во время грандиозных пожаров в Сибири в 1915 г. выгорела площадь лесов около 120 тыс. км² (12 млн. га). Из-за сильного дыма хлеба созрели на полмесяца позже, дав мелкие, щуплые зерна. Местами пелена дыма была столь плотной, что на расстоянии пяти-шести шагов не было видно строений ((См.: Львов П.Н., Орлов А.И. Профилактика лесных пожаров. М.: Лесн. пром-сть, 1984.116 с.)).

В 1950 г. дым от пожаров в юго-западной канадской провинции Альберта образовал гигантское облако, которое, поднявшись на несколько километров над Землей, стало дрейфовать на восток. Дым был настолько плотен, что когда его шлейф накрыл Буффало, то в городе среди дня пришлось включать электрическое освещение. На востоке США дым вызвал похолодание на несколько градусов. Затем шлейф дыма пересек Атлантический океан и наблюдался в Западной Европе на высоте 8 - 10 км.

В Европе в послевоенные годы, по-видимому, наиболее массовые пожары наблюдались в августе 1972 г., когда пелена дыма принимала континентальные размеры, простираясь от Белого до Черного моря. Временами она принимала лентовидную форму, и гигантская лента шириной в 200 - 400 км вытягивалась почти на 6 тыс. км от центральных областей европейской территории СССР до озера Балхаш. Количество дыма, определенное по данным советских и американских спутников, превышало 1 млн. т. Высота подъема дыма достигала 5 км. После окончания пожара в течение нескольких месяцев сохранялась пониженная прозрачность атмосферы ((См.: Григорьев Ал.А., Липатов В.Б. Дымовые загрязнения по наблюдениям из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 36 с.)).

Приведенные примеры дальнего распространения дыма от локальных пожаров и их метеорологических эффектов дают частичное представление о процессе глобального распространения дыма от массовых пожаров ядерной войны.

Мощные вулканические извержения

Крупное извержение вулкана - всегда стихийное бедствие для жителей окружающих областей. По различным оценкам за последние 500 лет только число человеческих жертв, вызванных этой причиной, составляет 200 000 человек.

Огромна разрушительная сила вулканов. Например, в результате извержения на греческом острове Санторин около 1500 г. до н.э. остров практически перестал существовать: образовалась кальдера объемом 80 м³. Освобожденная энергия вызвала приливную волну высотой до 30 м, опустошившую остров Крит, спустя несколько часов затопившую дельту Нила и разрушившую порт, удаленный на 1000 км от места извержения. Некоторые исследователи связывают с этим извержением легендарную гибель Атлантиды и библейскую "тьму египетскую".

Сто лет назад, в августе 1883 г., произошло одно из крупнейших известных извержений на островном вулкане Кракатау в Зондском проливе между островами Ява и Суматра, Грохот взрыва был слышен на расстоянии до 4000 км (в Австралии и на Цейлоне), было поднято в воздух около 20 км³ горных пород. Высота вызванных взрывом цунами достигала 40 м, и даже в Ла-Манше зарегистрировали увеличение прилива.

Пепел выпал на площади около 1 млн. км². В Джакарте днем наступила полная темнота. Тончайшая пыль достигла стратосферы и распространилась по всей Земле, вызвав необычайно яркие закаты и восходы Солнца. Прошли годы, пока тонкая пыль осела. В результате частичного экранирования солнечного излучения на больших территориях снизилась среднегодовая температура воздуха ((См.: Раст X. Вулканы и вулканизм. М.: Мир, 1982. 343 с.)).

В настоящее время по климатическим рядам температуры установлено, что в годы, следующие за крупнейшими извержениями или сериями извержений вулканов, средняя температура воздуха у поверхности Земли уменьшается на 0,3 - 0,5° С. В отдельных регионах похолодание бывает более существенным.

В целях сравнения с ядерными выбросами и пожарами представляют интерес аэрозольные выбросы вулканов и их следствие - климатические эффекты извержения. Как уже отмечалось, аэрозольное облако в первую очередь уменьшает температурные контрасты. Это ярко проявилось при извержении вулкана Сент-Хеленс в мае 1980 г. Облако вулканических выбросов на пути своего следования по территории США понизило дневную температуру на 8° С и на столько же повысило температуру ночью. Последнее связано с тем, что аэрозоль был достаточно крупный, в десять и более раз, чем частицы дыма, и равным образом влиял как на солнечное, так и на тепловое излучение.

По-видимому, крупнейшим в истории человечества было извержение вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. При взрыве было поднято в воздух 150 км³ вещества. "Годом без лета" был назван последующий за извержением 1816 г. в Северной Америке и Западной Европе. В Новой Англии летом 1816 г. снег выпадал в июне, были заморозки в июле и августе. В Швейцарии и Франции в 1816 г. зарегистрировано самое позднее созревание урожая винограда за период с 1782 г. В Англии, Швейцарии и на севере США лето 1816 г. было самым холодным с начала метеорологических наблюдений.

Необычайно холодное лето вызвало неурожай и голод, особенно в опустошенной наполеоновскими войнами Европе. Не исключено, что одним из возможных последствий извержения Тамборы была пандемия холеры, которая возникла в результате голода в Бенгалии, последовавшим за очень холодным летом 1816 г., достигла Кавказа в 1823 г., а Европы и Северной Америки - в 1830-1832 гг. ((См.: Stommel H., Stommel E. Volcano weather: The story of a year without summer. Boston: Seven Seas press, 1983.178 p.)).

Столь губительные действия на обширных территориях Земли может вызвать похолодание в течение одного лета всего лишь на несколько градусов в отдельных регионах ((Другое крупное извержение вулкана вблизи города Рабул (Папуа - Новая Гвинея) описано недавно Р.Б. Стозерсом в статье "Таинственное облако AD 536" (Stothers R.B. Mystery cloud of AD 536. - Nature, 1984, vol. 307, N 5949, p. 344-345)), приведшее к такому же, если не более значительному охлаждению.). Трудно даже представить последствия похолодания всей суши Земли на десятки градусов в результате "ядерной зимы".

Экологическая катастрофа около 65 миллионов лет тому назад

В истории Земли и ее биосферы было одно событие, которое, по всей видимости, может иметь прямое отношение к обсуждаемой теме. Мы имеем в виду массовое и одновременное исчезновение многих рептилий, в частности динозавров, значительного числа групп морских беспозвоночных и больших групп растений около 65 миллионов лет тому назад на границе мелового и третичного периодов геологической истории Земли. Многие поколения ученых, начиная с великого французского палеонтолога и анатома Ж. Кювье в начале XIX в. пытались объяснить это явление. Кювье предложил гипотезу катастроф, однако вскоре большинство ученых отвергло ее и в течение последующих примерно полутора веков она не пользовалась популярностью.

Тем не менее к концу семидесятых годов уже нашего века стало ясно, что биосфера в ее разнообразии наиболее чувствительна к климатическим изменениям, которые легко нарушают цепи питания в природе вследствие различной приспособляемости разных организмов к изменениям температуры, влажности и т.п. К этому же времени в разных частях земного шара бесспорно была установлена одновременность гибели за короткий промежуток времени фитопланктона морских поверхностных вод, многих семейств зоопланктона. Имеются убедительные свидетельства в пользу одновременности исчезновения 65 млн. лет тому назад динозавров и других рептилий, хотя этих данных не так много ((Будыко М.И. Изменение окружающей среды и смена последовательных фаун. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 78 с.)). В 1979 г. группа сотрудников Калифорнийского университета (Беркли) объявила о том, что обнаружила аномально большие содержания тяжелого элемента иридия в морской формации близ Губбио в Аппенинских горах в Италии ((См.: Alwarez L.W., Alwarez W., Azaro F., Michel H.V. Extraterrestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extinctions. Experiment and theory. - Sciense, 1980, vol. 208, N 4448, р. 1098-1108)). Иридий был лишь в слое глины мощностью 1 - 2 см, отделяющем морские известняки позднемелового периода от покрывающих их известняков раннетретичного возраста. Известняки под глинами содержат морские организмы, типичные для позднего мела. В глинах не обнаружено никаких организмов. В известняках над слоем глины организмы мелового периода не встречаются, но есть организмы, типичные для третичного периода.

Обогащение глины иридием, обнаруживаемом путем нейтронного активационного анализа, было в 30 раз больше по сравнению с обычными концентрациями в земных породах. Аналогичные результаты по обогащению иридием осадочных пород, датируемых переходом от мелового периода к третичному, были обнаружены в районе Стевнс Клинт, в Дании, где обогащение иридием было в 160 раз больше нормы, в ряде осадочных морских пород по данным глубоководного бурения в Атлантике, Тихом океане и в некоторых пресноводных озерах.

Как тяжелый элемент платиновой группы иридий в земной коре содержится в гораздо меньших концентрациях, чем в веществе солнечной системы, в частности в метеоритах. По всей видимости, он сконцентрирован в ядре Земли. Все это заставило ученых Калифорнийского университета предположить, что в породах, датируемых разделом мелового и третичного периода, иридий внеземного происхождения. Глобальная распространенность иридия дала возможность оценить поперечник упавшего на Землю небесного тела приблизительно в 10 км.

Какой же астероид таких размеров мог столкнуться с Землей 65 млн. лет тому назад и какова частота таких столкновений? Наиболее вероятным кандидатом считается астероид из группы Аполлона. Ее формируют небольшие небесные тела, чьи орбиты пересекают плоскость орбиты Земли. Сейчас известно около 30 объектов с диаметрами от 0,2 до 8 км. Учитывая несистематичность и неполноту их поиска с помощью телескопов и малость размеров, число астероидов в этой группе с диаметром больше 1 км может быть оценено приблизительно в 750. Неизбежно столкновение некоторых из них с Землей.

При таком столкновении на поверхности Земли создается кратер диаметром, примерно в 10 раз большим диаметра падающего тела, и с глубиной до двух его диаметров. Сам астероид практически полностью испаряется, выбрасывая "вместо себя" массу породы порядка сотни масс астероида. Некоторая часть продуктов выброса - мелкоизмельченная порода - может быть заброшена высоко в атмосферу и даже в стратосферу и оставаться там продолжительное время.

Может ли падение такого метеорита привести к глобальным климатическим изменениям, и как вообще это могло повлиять на биосферу? Наиболее полный ответ в настоящее время на этот вопрос дает модель, разработанная американскими учеными ((См.: Pollack J.В., Toon O.B., Аскегтап Т.R., Mckay G.P., Turco P.P. Environmental effects of an impact generated dust clouds implications for the Cretacious-Tertiary extinctions. - Science, 1983, vol. 219, N 4582, p. 287-289)). Хотя в их модели искомые величины усреднены по горизонтам, она прослеживает временную эволюцию профиля по вертикали, изменение распределения частиц по размерам вследствие их выпадения, вымывания осадками, коагуляции и т. д. Аккуратно учитывается взаимодействие с частицами солнечной радиации, а также теплового излучения Земли и атмосферы. Модель рассчитывалась отдельно над сушей и над океаном.

Конечно, при подобном математическом моделировании всегда есть много неопределенностей в оценке различных параметров и процессов. Поэтому был рассчитан ряд сценариев. Во всех сценариях учитывается быстрое горизонтальное распространение пыли, благодаря возникновению температурных контрастов между загрязненными частями атмосферы, которые сильно поглощают солнечное излучение и потому разогреваются быстрее в сравнении с еще чистыми ее областями (именно этот механизм способствует быстрому - за одну-две недели - глобальному распространению облаков пыли на Марсе).

Несмотря на разброс, результаты всех рассчетов по различным сценариям показывают, что приблизительно месяц солнечное излучение будет настолько отрезано от поверхности, что там наступит полная тьма, на время до нескольких месяцев станет невозможен фотосинтез, в течение примерно полугода температура поверхности суши окажется ниже 0 С, т.е. ниже точки замерзания воды, а максимальное падение температуры поверхности суши до - 20° С продлится месяц или больше.

Верхний слой океана вследствие его большой тепловой инерции за время около года, когда пыль оседает из тропосферы и стратосферы, успевает остыть всего лишь на несколько градусов. Перенос тепла из атмосферы над океанами на континенты способен уменьшить похолодание внутри континентов на 20 - 30% и вблизи берегов в два-три раза, но в целом температура поверхности суши окажется существенно ниже нуля.

Эти результаты - изменение температуры атмосферы, поверхности суши и океана можно получить не только на больших численных моделях теории климата, общей циркуляции атмосферы и океана, но и с помощью совсем простой модели, доложенной авторами этой статьи на конференции "Мир после ядерной войны" 1 ноября 1983 г. в Вашингтоне. По этой модели авторы рассчитали изменения температуры во время "ядерной зимы" в гипотетическом случае падения астероида на Землю, а также при глобальных пыльных бурях на Марсе.

Результаты модельных расчетов американских авторов и наших собственных согласуются с тем, что вымирание морских организмов на границе мелового и третичного периодов было вызвано временным (на несколько месяцев) прекращением фотосинтеза в морских поверхностных водах и разрывом поэтому цепей питания. Прекращение фотосинтеза и похолодание на суше могло не так сильно повлиять на растения суши, так как они размножаются семенами, которые могли это пережить, а также потому, что цикл углерода на суше имеет время порядка нескольких лет или больше. Крупные животные могли вымереть как от холода, так и потому, что в условиях длительной темноты им было трудно находить пищу. Мелкие животные могли лучше приспособиться к уменьшениям света и температуры, например, зарывшись в землю.

Остается вопрос, есть ли на Земле кратер, который был бы отождествлен с падением такого астероида. В качестве наиболее вероятного кандидата был предложен Карский кратер (вблизи реки Кара, начинающейся на Северном Урале и впадающей в Байдарацкую губу Карского моря), Согласно данным, полученным путем палеонтологического анализа профессором МГУ В.И. Фельдманом, возраст кратера датируется между 60 и 66 млн. лет.

Карский кратер или карская депрессия, по терминологии ленинградского геолога В.Л. Масайтиса, впервые описавшего его как ударный кратер, состоит из двух кратеров: основного (Карского) диаметром 60 км и второго (Усть-Карского) диаметром 25 км, частично уходящего на дно Байдарацкой губы. Интересно, что В.Л. Масайтис отождествил с тем же ударом и третий Каменский кратер около г. Ростова (Ярославского) диаметром приблизительно 5 км. Все эти кратеры находятся на одной дуге большого радиуса и явно произошли от дублета (или триплета), который в космосе был единой системой, связанной своим слабым полем тяготения, но развалившейся в гораздо более сильном поле тяготения Земли по мере приближения к ней. Такая система при столкновении с Землей вполне могла поднять в воздух количество пыли, достаточное по порядку величины, чтобы вызвать описанную экологическую катастрофу, поскольку одновременное соударение двух (или трех) астероидов высвобождает больше энергии и поднимает больше пыли, чем один астероид суммарной массы ((См.: Масайтис В.Л., Мишак М.С. - Докл. АН СССР, 1982, т. 265, № 6, с. 1500-1503)). В заключение стоит сказать, что гипотеза о падении небольшого астероида (или двух-трех астероидов) представляется достаточно обоснованной для объяснения причин экологической катастрофы 65 млн. лет тому назад. Ясны и физические механизмы воздействия на биосферу: запыление атмосферы, прекращение доступа солнечного света к поверхности, в результате чего прекращается фотосинтез и наступает резкое похолодание поверхности суши. Хотя запыление атмосферы было тогда в сотни раз большим, чем после возможного ядерного конфликта, для резкого падения температуры поверхности суши вовсе не нужно ослабления солнечного света в десятки тысяч раз, как при падении астероида, достаточно ослабления всего в несколько раз, чтобы осуществилось основное понижение температуры.

Пылевые бури на Марсе

Реальным и сейчас уже хорошо изученным природным явлением, во многих чертах сходным с последствиями ядерной войны, служат пылевые бури на Марсе. Они вызывают и заметное охлаждение поверхности планеты, и существенный разогрев ее атмосферы.

Пылевые бури на Марсе были хорошо известны и в докосмическую эру по наземным астрономическим наблюдениям начиная с конца XVIII в. Как правило, бури наблюдались в периоды великих противостояний Марса. Во время прохождения планетой перигелия в ее южном полушарии конец весны - начало лета. При этом инсоляция поверхности планеты максимальна и выше средней примерно на 20% из-за большой вытянутости орбиты Марса. Еще в 1909 г. французский астроном Антониади высказал идею, что желтые облака Марса состоят из частичек пыли.

Во время последнего великого противостояния осенью 1971 г. астрономы уже в середине сентября зафиксировали появление отдельных пылевых облаков. Когда в ноябре 1971 г. к Марсу приблизились межпланетные автоматические станции "Маринер-9", а затем "Марс-2 и -3", их телевизионные камеры зафиксировали, что вся планета покрыта сплошным облаком пыли, сквозь которое выступали лишь вершины четырех самых высоких марсианских гор - древних вулканов. Увиденное пылевое облако рассеялось полностью лишь в феврале 1972 г.

Впоследствии две межпланетные станции "Викинг" и две станции на поверхности планеты во всех деталях произвели как фотографирование развития пылевых бурь, так и разнообразные физические измерения, что и служит основой наших, уже довольно полных знаний о развитии и сущности этого явления.

Облака пыли обладают особенностью - возникать в определенных местах, преимущественно в субтропических и умеренных широтах южного полушария Марса в конце весны - начале лета, проходить дневной цикл развития, сильно разрастаться к концу дня и оседать за ночь. Запыленность атмосферы в среднем здесь повышается. За несколько дней пыль охватывает весь пояс широт, где облака зарождаются. Далее пелена пыли начинает распространяться в меридиональном направлении, и за время порядка десяти дней она покрывает всю планету.

Что же способствует быстрому разносу пыли по горизонтали, так что за одну-две недели пылевая пелена покрывает всю планету? В 1973 г. С. Хесс, П. Гираш и Р. Гуди, Г.С. Голицын независимо друг от друга указали на механизм обратной связи между подъемом пыли и системой ветров в атмосфере. Суть его состоит в следующем. Пыль хорошо поглощает солнечное излучение, и запыленная атмосфера разогревается больше, чем ее соседние, еще чистые области. Это приводит к возникновению дополнительных ветров скоростью до десятков метров в секунду. Усилившийся ветер быстрее разносит пыль, уже находящуюся в атмосфере, и поднимает новые количества пыли с поверхности.

Что же происходит в условиях глобальной пылевой бури?

Данные зондирования атмосферы с орбитальных аппаратов показывают, что атмосфера Марса при этом разогревается примерно на 20 - 30° С, а прямые измерения межпланетных станций на поверхности Марса показали, что при приходе пылевого облака температура падает на 10 - 15° С. Уже упоминавшаяся простая модель баланса радиации на верхней границе атмосферы и на поверхности планеты хорошо воспроизводит все подобные изменения ((См.: Гинзбург А.С. О радиационном режиме поверхности и запыленной атмосферы Марса. - Докл. АН СССР, 1973, т. 208, № 2, с. 291-294)).

Весьма драматичны изменения структуры общей циркуляции марсианской атмосферы при глобальных пылевых бурях, зарегистрированные межпланетными станциями по измерениям на поверхности планеты. Г.С. Голицын в 1970 г. предложил схему общей классификации структуры циркуляции планетных атмосфер. Согласно этой схеме циркуляция марсианской атмосферы должна быть весьма близкой к земной. И, действительно, станции на поверхности Марса зимой регистрировали весьма регулярное прохождение над ними циклонов и антициклонов, более регулярное, чем у нас, по всей видимости, из-за отсутствия океанов на Марсе. Когда приходит пылевая буря, всякая циклоническая активность в марсианской атмосфере прекращается.

Эти процессы были изучены теоретически и подтверждены лабораторными экспериментами ((См.: Бубнов Б.М., Голицын Г.С. Теоретическое и лабораторное моделирование влияния статической устойчивости на структуру общей циркуляции атмосферы. - Докл. АН СССР, 1985, т. 281, № 5, с. 1076-1079)). Главная причина изменений характера циркуляции атмосферы - резкое повышение вертикальной устойчивости запыленной атмосферы вследствие ее разогрева и остывания поверхности планеты. Лабораторная модель атмосферы состоит из вращающегося кольцевого сосуда с водой, у которого внутренняя стенка, имитирующая полюс, более холодная, чем внешняя, имитирующая экватор. Меняя скорость вращения и перепад температуры между боковыми стенками, можно добиться того, что в воде в зазоре между стенками образуются многочисленные вихри, аналогичные атмосферным циклонам и антициклонам. Если на чту картину наложить еще и положительный вертикальный градиент температуры (т.е. сделать так, чтобы температура жидкости повышалась ото дна), можно резко уменьшить число вихрей или подавить их совсем. Таково объяснение изменениям структуры общей циркуляции на Марсе в период глобальной пылевой бури.

Рассмотренные основные черты марсианских пылевых бурь позволяют понять, каковы климатические последствия введения в атмосферу планеты больших количеств аэрозоля, рассеивающего и поглощающего солнечное излучение. Явления на Марсе показывают нам механизмы быстрого распространения пыли в глобальном масштабе, сильный нагрев, его атмосферы, заметное охлаждение поверхности и изменение в результате всего этого структуры атмосферной циркуляции.

Конечно, в оцениваемых последствиях ядерной войны всегда будет какая-то неопределенность, зависимая от выбранных сценариев войны, от сезона ее начала, даже от конкретной метеорологической ситуации. Тем не менее, рассмотренные нами природные аналоги уже показывают, что последствия будут весьма грозными и длительными. Наши расчеты и модели согласуются с работами в этой области других ученых - советских и зарубежных. Однако все, кто работает над этими проблемами, надеется, что их труд поможет тому, чтобы предсказанные последствия ядерной войны остались бы лишь предсказаниями.