Ядерная зима и её компьютерное моделирование в 80-х

Уже к началу 1960-х годов накопление ядерного оружия и средств его доставки достигло таких масштабов, что в 1962 году Дональд Бреннан из Hudson Institute предложил концепцию MAD: Mutual assured destruction, гарантированного взаимного уничтожения сверхдержав в случае полномасштабного обмена ядерными ударами. Становилось очевидным, что выиграть атомную войну невозможно: каждая из сторон Холодной войны была в состоянии лишь начать её первой — чтобы погибнуть немногими минутами позже под массированным ответно-встречным ракетно-ядерным ударом.

Но что будет потом, когда затихнут пожары на радиоактивных руинах? На сей счёт мнения разнились. Кто-то, особенно военные, считали возможным продолжать боевые действия тем, что останется от армий и флотов до победного конца. Кто-то подозревал, что после полномасштабного ядерного Армагеддона всем выжившим очень быстро станет не до таких мелочей, как мировая война.

Некоторые учёные продвигали концепцию того, что массированные ядерные взрывы уничтожат озоновый слой планеты и приведут к вымиранию всего живого — но эти выкладки в итоге были опровергнуты. В том числе тем, что даже на пике ядерных испытаний в первой половине 1960-х, когда сверхдержавы выжигали свои полигоны в Семипалатинске и Неваде, на Новой Земле и тихоокеанских островах мощнейшими термоядерными бомбами совокупной мощностью под 400 мегатонн в тротиловом эквиваленте — заметной корреляции с динамикой содержания озона в атмосфере выявить не удалось.

В целом предполагалось, что ядерная война нанесёт колоссальный ущерб всей планете, отбросит цивилизацию в развитии на десятки или даже сотни лет — но человечество в принципе вполне способно пережить термоядерный ад и двинуться дальше. Возможно, даже что-то осознав ценой миллиардных жертв.

Однако в начале 1980-х знаменитые учёные обеих сверхдержав буквально хором объявили: нет, не способно. Полномасштабная ядерная война не просто убьёт немыслимое количество людей, по сравнению с которым жертвы обеих мировых войн покажутся умеренными. Она разрушит климат планеты и обрушит её на десятки лет в чудовищную ледниковую зиму под чёрными небесами, выжить в которой не удастся никому.

Ну… разве что вконец одичавшим рейдерам радиоактивных пустошей, или особо хитрым выживальщикам в особо надёжных бункерах. Но цивилизацию со всеми её высокими технологиями, промышленностью, сложными общественными системами это обречёт на гибель. И очень оптимистичным вариантом исхода станет буквальное воплощение фразы то ли Эйнштейна, то ли безымянного лейтенанта армии США на полигоне у атолла Бикини: «четвёртую мировую войну мы будем вести каменными копьями».

В своих выкладках и советские, и американские учёные ссылались на компьютерное моделирование климатических процессов в обстановке последствий массовых ядерных ударов. Моделирование действительно проводилось, неоднократно, по обе стороны железного занавеса, и каждый раз показывало примерно одни результаты. Крайне прискорбные для судеб человечества в случае, если политикам не удастся удержаться от нажатия на кнопки в своих ядерных чемоданчиках.

Вот только точность и неангажированность этого моделирования до сих пор вызывают некоторые сомнения.

Первой научной публикацией о гипотезе ядерной войны стала статья «Атмосфера после ядерной войны: сумерки в полдень», вышедшая в начале 1982 года в шведском научном журнале «AMBIO». Её авторами стали знаменитый нидерландский химик, специалист по атмосфере Пауль Крутцен и его американский коллега Джон Бёркс. Они оба работали в университете Майнца в ФРГ над темой того, что годом спустя Ричард Турко назовёт «ядерной зимой».

По расчётам Крутцена и Бёркса, частицы сажи от множественных пожаров в городах, в лесах (в том числе в таёжных лесах после ударов по районам базирования межконтинентальных баллистических ракет СССР) и на объектах нефтедобычи и нефтепереработки поднимутся в атмосферу и закроют значительную часть земной поверхности от света Солнца, особенно в северном полушарии. Они считали, что пожары продлятся много недель, особенно лесные и нефтяные. Экранирование солнечного света в течение длительных периодов вегетационного периода уничтожило бы большую часть производства продуктов питания в Северном полушарии.

Пожары, по модели Крутцена и Бёркса, должны были привести к выбросу в атмосферу больших количеств оксидов азота и реактивных углеводородов, что могло привести к возникновению сильного фотохимического смога на большей части Северного полушария. Выделение сильных окислителей, таких как озон и пероксиацетилнитрат (ПАН), при удалении сажи из атмосферы также должно было негативно повлиять на производство продуктов питания во всём Северном полушарии в течение первого года после войны.

Впрочем, выводы Крутцена и Бёркса были не слишком апокалиптичными. Однако их статья попала на глаза советским и американским учёным, которые занимались атмосферными процессами, и были очень озабочены возможными последствиями ядерной войны. Они и развили тему как мировую сенсацию и глобальную угрозу — и благодаря им уже в 1983 году дело дошло до компьютерного моделирования ядерной зимы по обе стороны «железного занавеса».

В значительной степени на мысли о возможности эффекта ядерной зимы этих учёных навели данные с советских межпланетных станций «Марс-2» и «Марс-3», вышедших на орбиту четвёртой планеты Солнечной системы в ноябре 1971 года. Вместо привычной красноватой пустыни Марса космические аппараты кружили над окутывавшей всю планету дымкой. Этой дымкой была пылевая буря планетарного масштаба, начавшаяся в сентябре 1971 года, окончившаяся лишь в январе 72-го.

Датчики спускаемых модулей показали, что температура пылевых облаков в атмосфере Марса оказалась заметно выше температуры поверхности планеты. Данные об этом были опубликованы — после чего ведущий советский специалист по циркуляции и турбулентности в атмосферах других планет, Георгий Сергеевич Голицын из Института физики атмосферы имени А. М. Обухова, получил пару телеграмм от американского астронома и астрофизика Карла Сагана. Знаменитый писатель и учёный настоятельно просил советского коллегу «оценить это явление и осмыслить его».

В телеграммах, отметим, не было ничего необычного: несмотря на Холодную войну, «железный занавес» и режимы секретности, научные сообщества двух сверхдержав находились в очень плотном общении и взаимодействии, во множестве посещали международные мероприятия, и нередко вполне всерьёз дружили.

Голицын предложил теорию, которая объясняла, как на планетах образуются пыльные бури, почему они могут достигать глобальных размеров и как они могут влиять на климат. С коллегой по институту Александром Самуиловичем Гинзбургом за 70-е годы они разработали модели возникновения и развития пылевых бурь, в том числе планетарного масштаба — как на Марсе.

В 1982 году Георгий Голицын прочёл ту самую статью Крутцена и Бёркса в тематическом выпуске AMBIO, полностью посвящённом перспективам ядерной войны между США и СССР. Надо сказать, что начало 80-х годов было последним пиком Холодной войны. Вашингтон и Москва в очередной раз решили, что договариваться с этими коварными капиталистами / коммунистами — лишь терять время, и бросились накачивать военные мускулы угрожающими темпами. Несколько раз в эти годы ситуация буквально замирала на грани ядерной войны, что заставляло практически всех, от шведских издателей до японских аниматоров, предметно размышлять на эту невесёлую тему.

Профессор Голицын увидел в выкладках Крутцена и Бёркса картину, весьма похожую на ту, которую обнаружили межпланетные станции на Марсе осенью 1971-го. Но если авторов-химиков «Сумерек в полдень» больше занимали химические аспекты последствий массового выброса сажи от ядерных пожаров, то специалист по атмосферной динамике и климатическим процессам увидел в их выводах более устрашающую перспективу. Плотные облака пыли и сажи, поднятые в небеса и заполнившие их, не просто примут на себя солнечные лучи и не пропустят их к поверхности Земли. Это резко понизит устойчивость сложившихся атмосферных процессов, испарение, теплообмен, циркуляция влаги окажутся подавлены. Атмосфера станет очень сухой, резко уменьшится количество осадков. По словам Голицына, прекратится даже образование циклонов и муссонов.

Голицын и Гинзбург запустили целый цикл экспериментов: они проверяли прохождение излучений через дымы разных видов, для чего устраивали сожжение разных материалов на полигоне под Звенигородом. Матчасть им предоставлял Институт гражданской обороны в Балашихе, отрабатывалось горение открытым пламенем и тление. В эксперименты шла и так называемая «городская смесь»: около 80% дерева, бумага, нефтепродукты, материя, пластик и мясо. Правда, корректность основанной на явном преобладании дереве смеси как «типично городской» уже по состоянию на 1980-е вызывала сомнения.

31 октября 1982 года Голицын и Гинзбург представили свои первые выводы на международной конференции «Мир после ядерной войны» в Вашингтоне. А в сентябре 1983 года вышла научная публикация в «Вестнике Академии наук». Месяцем спустя в США вышла очень близкая по теме публикация Карла Сагана и его коллег, команды из пяти учёных под неформальным названием TTAPS: по фамилиям Ричарда Турко, Оуэна Туна, Томаса Акермана, Джеймса Поллака и того самого Карла Сагана. Как и в случае советских учёных, все они пришли к теме ядерной зимы через изучение планетарных пылевых бурь Марса, и тоже читали Крутцена и Бёркса. После выхода статей Саган созвонился с Голицыным, и дальнейшую работу по ядерной зиме советские и американские учёные вели в изрядной координации.

Впрочем, некоторые в США подошли к идее с других научных направлений. Так, ещё в 1981 году Уильям Моран из National Research Council высказал предположения о возможности ядерной зимы, увидев сходные с ней последствия в колоссальном выбросе пыли в атмосферу при падении Чиксулубского астероида 65 миллионов лет назад: часть гипотез вымирания динозавров полагают, что именно сходный с ядерной зимой эффект после удара астероида о будущий Юкатанский полуостров и привёл к их исчезновению.

Параллельно с теоретическими выкладками и практическими экспериментами по горению веществ в дело в 1983 году и вступило компьютерное моделирование.
В СССР им после выхода статьи Голицына в «Вестнике Академии наук» занялись Владимир Александров и Георгий Стенчиков из лаборатории Вычислительного центра Академии наук СССР, разрабатывавшей методы вычислительной физики в климатологии.

Для расчётов последствий ядерной зимы они использовали модель атмосферы с низким пространственным разрешением (12° х 15° по широте и долготе) и двумя уровнями по вертикали, со среднегодовой солнечной инсоляцией, интерактивно связанной с перемешанным слоем океана. По этой модели был проведён один расчёт для периода в 400 дней. В сценарии с использованием около одной трети ядерного потенциала начала 1980-х годов количество выбрасываемой в атмосферу сажи оценивалось величиной в 150 мегатонн.

На выходе получалось, что при этом возникнет снижение температуры у земной поверхности гораздо ниже температуры замерзания, а также возникает циркуляция в атмосфере, которая способствует глобальному распространению аэрозольной сажи над всей планетой. В целом в условиях длительного затемнения Северного полушария температура над его континентами должна была упасть на величину порядка 10°С. Изменяется механизм общей циркуляции атмосферы. Из-за сильных температурных контрастов между морем и сушей в прибрежных районах ещё и возникали катастрофические штормы.

Несколько позже, но в конце того же 1983-го, к компьютерному обсчёту модели ядерной зимы приступили и американские учёные из команды TTAPS. В отличие от советских коллег, они прогнали десять итераций расчётов на 300 расчётных суток каждый. Они использовали одномерную радиационно-конвективную модель с нулевой теплоёмкостью поверхности, применимую для оценки климатических эффектов в континентальных областях. Рассмотрев большое число различных сценариев, они смогли смоделировать в деталях эволюцию климатической реакции по вертикали. Однако им не удалось увидеть динамику таких реакций или пространственное распределение изменений климата. Зато именно в их публикации по итогам моделирования прозвучало название «ядерная зима».

При этом американцы поначалу отозвались о работе и результатах Александрова и Стенчикова весьма скептически, назвав их моделирование слишком примитивным и уже устаревшим. Однако после более внимательного изучения вопроса TTAPS, напротив, оценили работу Александрова высоко. И признали, что её недостатки были общими для всех ранних попыток моделирования ядерной зимы.

В последовавшие годы последовали ещё семь моделирований последствий ядерной зимы различными исследовательскими группами, преимущественно американскими. Часть из них поначалу пытались опровергнуть мрачные выводы пионеров, но в итоге приходили к сходным неутешительным выводам — которые уже становились мировой сенсацией и темой постоянных обсуждений прессы и политиков.

Одним из самых ярких и знаковых антиядерных активистов стал Карл Саган. Он постоянно участвовал в протестах против ядерного оружия и военных программ в США во второй половине 1980-х, и даже был дважды арестован. Попутно он трижды ответил категорическим отказом на приглашения, на президентский ужин в Белый дом.

В силу недостаточности вычислительных мощностей в ВЦ АН СССР, и важности темы ядерной зимы для всего человечества и научного сообщества, Владимир Александров — несмотря на продолжавшийся пик Холодной войны, ведь дело было ещё до начала Перестройки — был допущен к работе с суперкомпьютером Cray X-MP в США. И не где-то, а в святая святых ядерной программы США, Ливерморской национальной лаборатории при Калифорнийском университете.
Видимо, это по тем или иным основаниям стало причиной загадочного исчезновения Александрова в Мадриде 31 марта 1985 года. Он вышел на прогулку из гостиницы после очередной научной конференции по вопросам о последствиях ядерной войны — и исчез навсегда. Что именно с ним случилось и почему — остаётся загадкой по сей день. При этом коллеги из TTAPS не стали поднимать шум сразу, предположив, что Александров решил сбежать на Запад — и жалели об этом оставшуюся жизнь, ибо поиски пропавшего были начаты слишком поздно.

Во второй половине 1980-х идея неизбежности ядерной зимы, поддержанная модным и загадочным тогда компьютерным моделированием стала мировым мейнстримом, одним из главных аргументов в пользу прекращения Холодной войны и ядерного разоружения. После распада СССР в 1991 году, впрочем, перспективы глобальной ядерной войны на много лет стали из повседневного страха предметом теории. И тему почти забыли до второй половины 2000 годов.

Попутно, правда, стало расти понимание, что занимавшиеся темой ядерной зимы учёные СССР и США могли… несколько преувеличить мрачность её последствий. Из политических и мировоззренческих соображений: когда сверхдержавы балансировали на грани полномасштабного столкновения, а «ястребы Рейгана» в Белом Доме и Пентагоне очень интересовались возможностью стремительного «обезглавливающего» удара из Европы ракетами средней дальности без получения ответно-встречной волны ракет, последнее, что нужно было — объяснять политикам, что ядерная война и ядерная зима не так уж и фатальны.

Возникло понятие «ядерной осени»: формулировки, описывающей гораздо более умеренные сценарии климатических последствий атомной войны. Особенно сильный удар по концепции нанесли события 1991 года в Кувейте и Ираке: согласно всем моделям особенно тяжёлые последствия для климата должны были нанести массово воспламенившиеся нефтяные месторождения и заводы. Однако, когда войска Саддама Хуссейна при отступлении от войск коалиции подожгли сотни скважин, и огромные полосы чёрного дыма закрыли небеса Востока на долгие месяцы… последствия для глобального климата оказались почти возмутительно небольшими. Хотя, когда поджог скважин был ещё политической угрозой Багдада, сам Карл Саган грозил страшным ударом по климату, «годом без лета» и мировым голодом из-за неурожаев.

Непосредственно в тени дымовых облаков температура действительно заметно снизилась — как и на Марсе в 1971-м. Но ничего фатального для климата так и не произошло, если не считать тяжёлого экологического загрязнения и экономических потерь.
С 2006 года эксперименты по моделированию последствий ядерной войны для климата возобновились — но они дают у разных команд исследователей достаточно большой разброс результатов. Очень многое зависит от исходных данных и цифр, коренящихся в оценках и не лишённых некоторого натягивания сов на глобусы.

К примеру, расчёты горения городов и уровней выделения сажи и пепла сторонники теории ядерной зимы делали на основе опыта Второй мировой войны. А именно — результатов ядерного удара по Хиросиме и стратегических бомбардировок ряда немецких городов, особенно Гамбурга. Приблизительные цифры результатов их горения и закладывались в модели компьютерного моделирования.

Однако Хиросима — особый случай. Японские города времён Второй мировой войны состояли главным образом из частной застройки из дерева и бумаги: идеальные материалы для горения. Они стремительно превращались в пламенный ад и без ядерного оружия, под обычными зажигательными бомбами «суперкрепостей» B-29.

Стратегические бомбардировки Гамбурга и Дрездена, сопровождавшиеся сопоставимыми с последствиями ядерных ударов жертвами и разрушениями, а также эффектом колоссальных «огненных смерчей», проводились по специальной методике.

В первой волне шли группы бомбардировщиков с осколочно-фугасными бомбами. Они должны были повредить каменные и кирпичные постройки, разрушить их крыши и сделать пожароопасное содержимое зданий с деревянной мебелью и одеждой открытым для машин второй волны: засыпавшими повреждённые кварталы и промзоны дождём зажигательных бомб. Только так американским и британским авиаторам удавалось превращать прочные немецкие города в море огня, сравнимое с результатами бомбардировок японские.

К счастью, с 9 августа 1945 года и по момент написания этой статьи ни один город мира не становился объектом ядерного удара. У нас попросту нет опыта наблюдений над тем, что происходит с современным населённым пунктом с преимущественно кирпичной и бетонной застройкой при атомном взрыве. Да, само собой, среди поражающих факторов есть световое излучение, воспламеняющее в зоне поражения всё, что может гореть. Но вместе с ним будет действовать и сильнейшая ударная волна, которая с большой вероятностью погребёт под руинами зданий большую часть огнеопасных предметов. Ведь даже японские города давно уже не строятся из дерева и бумаги.

Однако участники экспериментов по моделированию эффектов ядерной зимы 80-х годов закладывали в модели результаты горения либо деревянной Хиросимы, либо целенаправленно поджигавшихся немецких городов. Что выглядит не очень корректным.
И таких «нюансов» в моделях хватало.

Но… всё же недооценивать перспективы ядерной зимы тоже не стоит. Ведь наши далёкие предки уже пережили подобное около 70 тысяч лет тому назад, когда в Индонезии взорвался супервулкан Тоба. По массе прямых и косвенных признаков, выброс пепла и сажи от горения тропических лесов нанёс воистину страшный удар по климату. В наших генах с тех пор записаны последствия пережитого тогда древними людьми «бутылочного горлышка»: каждое человеческое существо является потомков довольно небольшого количества предков, выживших в ту чудовищную вулканическую зиму.

Будем надеяться, что ничего подобного никому больше не предстоит пережить.