Извержения, взрывы, пожары и климат

Извержения, взрывы, пожары и климат

Долгое время никто не пытался оценить возможные климатические последствия атомной войны.

Они справедливо считались явлением вторичным. В самом деле, уже в первые минуты войны непосредственно от ядерных взрывов погибнут сотни миллионов людей в тех странах, которые подвергнутся ядерным ударам. Невероятные разрушения - тысячи уничтоженных городов и огромные площади земной поверхности со смертельными уровнями радиации, людям казалось, что всего этого более чем достаточно, чтобы понять немыслимость ядерной войны!

Кроме того, климатические последствия ядерной катастрофы представлялись лишь незначительным дополнением к той картине, которая была нарисована специалистами в области взрывов, о которой говорили медики. Считалось, что ядерные взрывы действуют на атмосферу примерно так же, как вулканы, которые, извергаясь, выбрасывают огромные облака пыли. Пыль закрывает доступ солнечным лучам и на какое-то время уменьшает количество солнечной энергии, которую получает Земля. В результате температура земной поверхности и атмосферы падает. Но даже самые сильные извержения, как показывает история, не способны понизить среднюю температуру больше, чем на полградуса-градус. И то на очень короткое время.

Катастрофический взрыв вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году выбросил в атмосферу около 20 кубокилометров пыли (и пемзы). По оценкам климатологов, которые анализировали метеоданные тех времен, среднее понижение температуры на планете было порядка 0,5 градуса в течение нескольких месяцев, то есть не выходило за границы фоновых колебаний. Хорошо изучены последствия извержения вулкана Святой Елены в США 18 мая 1980 года. Огромное облако пыли, которое распространилось над несколькими западными штатами США, привело к ряду интересных эффектов. Непосредственно под облаком днем температура упала на 8 градусов, однако в ночные часы было отмечено повышение температуры по сравнению со средними на 4 - 6 градусов. Это было следствием того, что частицы аэрозоля поглощали часть солнечной энергии, нагревались и отдавали накопленное тепло в ночные часы.

Наиболее сильное извержение, которое было на памяти людей, - это взрыв вулкана Тамбор в Индонезии. Извержение произошло в 1815 году и выбросило в атмосферу более 100 кубических километров пыли. Энергия вулкана была, вероятно, сравнима с энергией крупномасштабной ядерной войны. Провести такое сравнение не очень трудно. По американским данным, поверхностный взрыв бомбы в 1 мегатонну (то есть примерно в 100 раз более сильный, чем тот, который уничтожил Хиросиму) выбрасывает на высоту до 10 километров 300 - 400 тысяч тонн пыли (на что затрачивается лишь 3 процента энергии взрыва). Значит, взрывы общей мощностью порядка 10 тысяч мегатонн поднимут вверх около 3 - 4 миллиардов тонн пыли.

Вулкан Тамбор, как мы видели, выбросил вверх более 100 кубических километров пыли. Если считать плотность пыли порядка 0,01 - 0,05, то мы легко подсчитаем, что мощность взрыва этого вулкана была того же порядка, как и в различных сценариях крупномасштабной ядерной войны, то есть порядка 10 тысяч мегатонн.

Какова судьба пыли, попавшей в район тропопаузы - границы, отделяющей тропосферу от стратосферы? Она будет постепенно оседать - за счет гравитации, вымывания дождями и за счет конвективного движения воздуха, причем особо мелкие частицы пыли (меньше 4 микрометров) оказываются довольно упорными долгожителями. Они могут год и больше находиться в атмосфере и поглощать значительную часть солнечного света.

Очень непросто оценить изменение оптических свойств атмосферы (ее прозрачность) вследствие присутствия пыли: после выброса 3 миллиардов тонн пыли она должна заметно понизиться. Поэтому, вероятно, извержение вулкана Тамбор имело определенные климатические последствия. И действительно, дошедшие до нас рассказы очевидцев тех времен говорят не только о красивых закатах, которые были вызваны присутствием пыли в верхних слоях атмосферы, но и о холодном дождливом лете в Европе. Лето без лета, как иногда говорят. Но такие дождливые и холодные летние месяцы в Западной Европе бывают и без извержения вулканов. Наблюдавшиеся климатические изменения, вызванные извержением вулкана Тамбор, вряд ли существенно превосходили фоновые колебания климата, которые всегда существуют. Кроме того, нам неизвестны те климатические эффекту, которые могли иметь место в Азии и Америке. История нам не сохранила никаких данных. По-видимому, и в самом деле ничего примечательного тогда не произошло.

Вот почему считалось, что изменение климатических характеристик вследствие ядерной войны не может быть значительным, и, уж во всяком случае, его рассмотрением можно пренебречь на фоне других катастрофических последствий ядерного удара - взрывов, разрушений, всеуничтожающей радиации и т. д.

Однако исследования, проведенные в конце 70-х годов профессором П. Крудценом из физико-химического института Макса Планка (ФРГ), а позднее и многими другими, показали, что не только пыль поднимется в атмосферу после ядерного взрыва, а также и огромные количества сажи, что может качественно изменить наши оценки последствий ядерной войны. Дело в том, что ядерная бомба может быть страшной не только сама по себе. Она может сыграть роль спички, которая зажжет пожар невиданной силы. Такой пожар вспыхнет не только в лесах, но и в городах, где сейчас очень много горючего материала (его плотность в современных городах в 5 - 8 раз больше, чем в лесу).

В своих исследованиях профессор П. Крудцен опирался на то, что высокие концентрации энергии при достаточном количестве горючего и доступе кислорода порождают самоподдерживающиеся пожары - пылающие вихри, получившие название огненное торнадо. Другими словами, пожар - это цепная реакция. Для того чтобы возникнуть, ему нужна спичка-запал, которая создает начальную концентрацию энергии, а затем он сам может выделять огромные, все увеличивающиеся количества энергии. И если приток кислорода достаточно интенсивен, то пожар прекратится лишь тогда, когда полностью будет переработано все горючее.

Концентрация энергии в пожарах может расти, достигая такой величины, когда в нем сгорает все - и металл и железобетон (конечно, не силикатная начинка, а металлический каркас), не говоря уже о горючих материалах, дереве, пластмассе.

Примечание. При тепловом импульсе, превышающем 20 калорий на квадратный сантиметр, сгорает практически все, что способно гореть. В Нагасаки тепловой импульс был близок к этой величине.

Заметим, что для того, чтобы вызвать огненное торнадо, вовсе нет необходимости использовать ядерное горючее. Уничтожающую силу огненного торнадо испытали на себе немцы во время бомбардировки англо-американской авиацией Гамбурга 27 - 28 июня 1943 года и Дрездена, в самом конце войны, март - апрель 1945 года, когда ее судьба была практически решена. Тогда еще англо-американская авиация располагала только обычным оружием - обычными бомбами, начиненными тротилом. И тем не менее в возникшем огненном вихре Дрездена и Гамбурга погибло не меньше жителей, чем в городах Нагасаки и Хиросима в августе 1945 года, когда на них были сброшены первые атомные бомбы. Интенсивность огненного вихря была такова, что пруды в Дрездене начали кипеть!

Это замечание очень существенно. Если в последнюю мировую войну, когда использовалось еще обычное оружие, в больших городах во время бомбардировок обычными тротиловыми бомбами возникало огненное торнадо, уносившее сотни тысяч жизней мирных жителей, то можно представить, какие последствия будет иметь современное «обычное», то есть не ядерное оружие, когда оно стало в сотни раз мощнее оружия времен второй мировой войны!

Если огненные смерчи может порождать и обыкновенное оружие, то для мощных ядерных взрывов, произведенных над городами или лесом, как показали расчеты, огненные торнадо - обязательные спутники. А если это так, то над городами - объектами атомных бомбардировок, поднимется огромное количество сажи.

Все это заставило ученых серьезно заняться проблемой пожаров. Сначала речь еще не шла о климате - ученые хотели, прежде всего, понять какими могут быть пожары, вызванные ядерными ударами, оценить их возможную мощность и количество пыли и сажи, которые они способны выбросить в верхние слои тропосферы, и изучить способность сажевых облаков экранировать солнечный свет.

Прежде всего занялись изучением лесных пожаров. Огромное количество горючего материала в лесах создавало, особенно летом, очень благоприятные условия для образования грандиозных пожаров. Еще в 1961 году американский исследователь Дж. Хилл показал, что ядерные заряды мощностью 1, 3 и 10 мегатонн выжигают соответственно 500, 1000 и 2100 квадратных километров лесов. При этом самовозгорание наступает на тех участках, где тепловой импульс взрыва достигает 15 калорий на квадратный сантиметр, то есть трех четвертей того теплового импульса, который возник во время бомбардировки Нагасаки. Согласно сценариям, опубликованным журналом «Амбио», средний ядерный заряд, вероятнее всего, будет иметь мощность порядка 0,4 мегатонны. Следовательно, такой «средний» заряд способен будет выжечь 200 квадратных километров леса. Таким образом, чтобы превратить в костер 1 миллион квадратных километров леса, потребуется около 13 процентов общего ядерного арсенала планеты, то есть цифра вполне реалистичная с точки зрения тех, кто может планировать ядерную войну.

Как оценить эффект такого пожара?

Средняя плотность горючей массы лесов средней полосы составляет 2 грамма на квадратный сантиметр. Если считать, что сгорает в среднем около 20 Процентов горючей массы (из-за нехватки кислорода), то пожар, охватывающий 1 миллион квадратных километров леса, выбросит вверх около 4 миллиардов тонн сажи, то есть примерно столько же пыли было выброшено вулканом Тамбор. Но теперь это уже не пыль, а сажа. И если эту сажу равномерно распределить по всему Северному полушарию, то ее плотность будет 0,1 - 0,5 грамма на вертикальный столб атмосферы с поперечной площадью в 1 м². В результате атмосфера сделается существенно менее прозрачной. Как это показано в уже упомянутой статье, посвященной последствиям ядерной войны (опубликованной в 1982 году в журнале «Амбио»), только выбросы сажи от лесных пожаров уменьшат количество света, поступающего на земную поверхность по меньшей мере в два раза. Это согласуется с очень старыми данными В. Б. Шостаковича, изучавшего еще в 20-х годах атмосферные эффекты крупных лесных пожаров в Сибири.

Уже подобные помутнения атмосферы, тем более если они будут достаточно продолжительными, могут оказать весьма заметное влияние на климат, поскольку сажа в отличие от пыли поглощает гораздо больше солнечного Света и гораздо медленнее оседает. Но «главные» пожары, которые выбросят в атмосферу основное количество сажи, будут не лесные пожары, а пожары в городах.

Как уже было сказано, при тепловом импульсе в 20 калорий на см² и больше горит уже все, что может гореть. А плотность горючего в городах куда больше, чем в лесу. Там плотность горючего материала порядка 2 г на см². В городах же эта плотность может быть очень различной - от 5 (в Японии) до 25 - 30 и более граммов на см² в европейских городах. К этому надо еще добавить асфальт, мощеных улиц и огромные запасы горючего, которые есть в каждом городе.

Но есть еще одно важнейшее обстоятельство, которое следует учитывать при подсчете выброшенной сажи.

Если мы попробуем зажечь лужу (или озеро) нефти, то оно будет гореть очень вяло. Никакого огненного торнадо не образуется, так как из-за отсутствия тяги не будет нужного доступа кислорода. Для образования огненного торнадо необходим эффект «печки», которого у нефтяного озера нет. Похожая ситуация, кстати говоря, возникает и в лесу. Из-за недостатка доступа кислорода (из-за плохой тяги) выгорает только 20 процентов горючего вещества. (Вот почему по лесному пожарищу иногда прокатывается новая волна пожара.)

Рис. 1. Изменение прозрачности атмосферы, когда в начальный момент плотность сажи такова, что она пропускает солнечного света в 1000 раз меньше, чем в солнечный день.

Совсем иная ситуация в городах. Благодаря высотным зданиям в современных городах европейского типа образуется сильная тяга - как в хорошей печке с высокой трубой! Иногда говорят, возникает эффект «крупномасштабной тяги». В результате и возникает огненное торнадо, в котором выгорает все, что может гореть, практически все 100 процентов горючего вещества. Вот почему облака сажи над городами будут гораздо плотнее облаков сажи, которые образуются после лесных пожаров, по меньшей мере раз в 100. Еще в 1982 году было подсчитано количество сажи, которое поступит в атмосферу, когда в огненном вихре сгорит город с миллионным населением. И ученые определили возможные оптические свойства возникающего облака сажи. Оказалось, что сквозь это облако будет проходить столь мало света, что под ним будет темнее, чем в самую темную безлунную ночь. А поскольку городов, которые подвергнутся в случае войны ядерной атаке будет много, то можно ожидать, что последствия этих ядерных ударов будут поистине катастрофическими - над планетой повиснет множество непроницаемых сажевых облаков.

Но к этому мы еще вернемся. А пока остановимся еще на одном вопросе, который имеет важное значение для оценки климатических последствий ядерных пожаров, - вопросе о сроке пребывания частиц сажи в атмосфере.

Сажа содержит много элементарного углерода, который во много раз сильнее любой пыли (аэрозоля) поглощает солнечное излучение, а следовательно, и нагревается. И как следствие, поднимаясь в верхние слои атмосферы и в стратосферу, она нагревает ее. Благодаря этому увеличивается испарение окружающих облаков, а значит, уменьшается количество осадков. Конечно, значительная часть сажи тем не менее будет вымываться дождями. В городах Нагасаки и Хиросима после ядерных взрывов и последующих пожаров шел густой черный дождь. И тем не менее сажа довольно долго находится в воздухе - тем более что количество осадков резко уменьшится. Сухая сажа, если она попала в верхние слои атмосферы, находится в воздухе не менее трех месяцев.

Спустя какое-то время после возникновения облака сажи начнется, конечно, медленное просветление атмосферы - за счет дождей, за счет силы тяжести, конвекции. Как показывают расчеты, характер просветления (изменение оптической толщины атмосферы) зависит от того, насколько загрязнена была атмосфера в начальный момент - сколь непрозрачно было сажевое облако в начальный момент. На странице 64 приведен график одной из подобных зависимостей. По вертикали отложена характеристика прозрачности. Число 1 отвечает прозрачности в ясный солнечный день. Число 10 означает, что атмосфера пропускает в 10 раз меньше света и т. д. По горизонтали отложено время в сутках. Рисунок показывает, как будет изменяться прозрачность атмосферы со временем, если в начальный момент атмосфера была в 1000 раз менее прозрачной, чем в яркий солнечный день (речь идет всюду о вертикальной прозрачности атмосферы).

Мы видим, что даже через три месяца атмосфера еще полностью не очистится. Как показывают расчеты, если начальная загрязненность выше, то и время очищения атмосферы будет значительно большим. Так, например, если в начальный момент толщина сажевого облака была такова, что оно пропускало одну миллионную долю солнечного света, то даже через год атмосфера полностью не очистится.

Эти приближенные оценки показывают, что с ядерной войной могут быть связаны такие опасности для человечества, о которых ученые ранее и не догадывались. Эти факты, понятые и изученные в самые последние годы, заставили пересмотреть установившиеся взгляды на возможные климатические последствия ядерной войны и поставили ученых перед необходимостью их изучить по возможности подробней. Как мы увидим позднее, это изучение привело к полной переоценке того, что может ожидать человечество в результате ядерной катастрофы.