А.М.Тарко. Ядерная зима - история и прогнозы. Окончание
Экологические последствия крупномасштабной ядерной войны (ядерная зима). Прогнозы гибели растительности в результате ядерной зимы
В СССР оценка экологических последствий крупномасштабной ядерной войны была проведена на основе климатических расчетов В.В Александрова, ее сделала группа 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 фактор ядерной войны. Если действие такого фактора, как радиация, можно оценить по результатам уже проведенных испытаний ядерного оружия, то ядерная зима не встречались 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 обоих факторов на растения. 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 образование льда 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 морозостойким, 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 последующего. Если какое-либо звено в такой длительной (несколько месяцев) подготовке растений к зиме выпадает или пройдет неудовлетворительно, то растение окажется 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 понижением температуры воздуха или наступлением 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, отпадают 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 40-50%) 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 со значением освещенности насыщения фотосинтеза) поступление энергии снижается настолько, что не покрывает затрат на дыхание, и чистый фотосинтез становится равным нулю. Эта так называемая компенсационная интенсивность освещенности различна у разных видов растений и тем меньше, чем меньше температура воздуха. Если освещенность падает ниже значения , то растение может погибнуть.
Растения одного вида в одном фитоценозе по-разному переносят действие низких температур и освещенностей. 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. Первый - когда ядерный конфликт происходит в июле, второй - 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 используемым нами 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 Вт/м. Данная освещенность в (3-80)·10 раз меньше компенсационной освещенности растений , 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 ассимилятов (будет накоплено не более 10% от необходимого), и перехода 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 периода. В тропических влажных лесах освещенность будет выше компенсационной (70 Вт/м на 40-й день и 50 Вт/м на 99-й день после начала ядерной войны), но поскольку растения этих лесов не обладают способностью переходить в состояние покоя и закаливаться, то 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 получат преимущество 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).
Рис. 3. Степень гибели растении 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
Гибель животных в Северном полушарии в данных обстоятельствах будет определяться недостатком пищи и сложностью ее поиска в условиях ядерной ночи. В тропических и субтропических районах важным фактором будет холод. Погибнут многие виды млекопитающих, все птицы, рептилии смогут 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 будет определяться величиной морозов.
Наибольшее падение температуры будет в широтной полосе 12-36° с.ш. - до 54° С. Абсолютные значения температуры в этой зоне будут (-6)-(-42)° С. Падение температуры на Крайнем Севере в полосе 48-62° с.ш. составит 11-38° С. При этом абсолютные значения температуры будут (-15)-(-72)° С.
Рассмотрим действие ядерной зимы в этом случае отдельно на разные типы растительности. Будем придерживаться биогеографического принципа.
Тундра, лесотундра, таежные леса, широколиственные леса.
Для оценки способности данных растений 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).
Таблица 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
_________________________________________
Для каждого участка суши, сравнивая обычные температуры зимой, температуры во время ядерной зимы, соотношение пород деревьев и используя данные наблюдений гибели деревьев в аномальные зимы, можно было оценить процент гибели деревьев. Эта процедура осуществлялась экспертным методом. Были сопоставлены процент гибели растений в обычные 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.
Таблица 2.Гибель растительности в некоторых типах растительных сообществ (ядерная война начинается в январе)
_____________________________________________________________________________________
Тип растительности ------------- Гибель растительности (в Европе - Сибири - Северной Америке)
_____________________________________________________________________________________
Арктические пустыни, тундра -------------------------- 25 - 10 - 25
Лесотундра, северотаежные леса ---------------------- 25 - 10 - 50
Среднетаежные, южнотаежные леса ----------------- 50 - 25 - 75
Широколиственно-хвойные,
широколиственные субтропические леса ----------- 100-100-100
Степи ------------------------------------------------------------ 90 - 90 - 90
______________________________________________________________________________________
На карте типов растительных сообществ (рис. 4) были отмечены соответствующие области, занятые указанными в табл. 2 растительными сообществами.
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
Степи.
Холода в зоне степей приведут к гибели надземной части растений и к почти полному вымерзанию их корневой системы. Морозостойкость надземной части травянистых растений составляет в зоне степей (-11)-(-20)° С, а температура в ядерную зиму здесь будет (-23)-(-30)° С. В течение нескольких месяцев возможно выживание ряда луковичных растений. Погибнет около 90% растений.
Высокогорные пустыни, альпийские, субальпийские луга.
Тип горной растительности приспособлен переносить значительные низкие температуры. Поэтому 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.
Тропические и субтропические леса, саванны.
Переносимость данной растительностью факторов ядерной зимы будет такой же, как и в случае, когда ядерный конфликт произойдет в июле. Поэтому гибель данных видов растений также будет полной.
Растительность Южного полушария.
В январе в Южном полушарии - лето. Переносимость растениями экваториальной зоны факторов ядерной зимы 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.
Гибель агроэкосистем.
В данной ситуации можно говорить о возможности выживания озимых культур. 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 (-16)-(-26)° С. В ядерную зиму температуры в зоне озимых культур будут (-22)-(-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.
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 окажет, по-видимому, ядерная зима. Однако в течение ядерной зимы поверхностный слой океана охладиться на 1.2° расчетам [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, ядерная зима окажет самое сильное воздействие 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 агроэкосистемам. 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 атмосферного СО2. Поглощение избытков атмосферного СОдолгое время будет определяться океаном.
Сделаем оценку изменения СО2 в атмосфере и средней глобальной температуры, исходя из 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 [10] были рассчитаны динамика изменения атмосферного СОи средней глобальной температуры (рис. 5). 
Рис. 5. Изменение концентрации СО в атмосфере (в относительных единицах по отношению к современной концентрации) и температуры после крупномасштабной ядерной войны. За нулевой принят год от окончания ядерной войны
Основной поток углерода в атмосферу через три года после войны будет определяться разложением мертвой органики, погибшей во время ядерной зимы.
Через 30 лет количество СОв 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 100-150 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.
________________________________________________________________________________________________
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., Свирежев 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. // Холодностойкость 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. 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 pp.
E9. nvironmental Consequences of Nuclear War. Ecological and Agricultural Effects. SCOPE 28. - Eds.: Harwell M.A., Hutchinson T.C. - Wiley, U.K., 1985. - V. 2. - 523 pp.
10. Тарко А.М.Моделирование глобальных биосферных процессов в системе атмосфера - растения - почва. // Динамическое моделирование в агрометеорологии, Ред. Ю.А. Хваленский, Л., Гидрометеоиздат, 1982, с. 8-16.
Начало/Раздел "Экологические и гуманитарные проблемы. Связь времен"
© А.М.Тарко, 2011
Читайте мои работы "Великие катастрофы в истории Земли", "Глобальные катастрофы, изменение положения земной оси и разрушения на Земле. Причины и следствия", "Смещение полюсов - проскальзывание литосферы или изменение наклона земной оси?", "Колебания формы орбиты и оси Земли - результат глобальных катастроф. О причине разрушений, изменения климата и оледенений на Земле", "Ядерные войны уже были и оставили много следов. Геологические свидетельства ядерных и термоядерных военных конфликтов в прошлом" (совместно с П.Олексенко)", "Ядерное оружие - прямая угроза существованию человечества"