Развитые цивилизации перегреют свои планеты в течение 1000 лет

Средняя глобальная температура Земли неуклонно растет со времен промышленной революции. По данным Национального агентства океанических и атмосферных исследований (NOAA), Земля нагревается со скоростью 0,06 ° C за десятилетие с 1850 года — или около 1,11 °C в общей сложности. С 1982 года средний годовой прирост составил 0,20 °C за десятилетие, что более чем в три раза быстрее. Более того, прогнозируется, что эта тенденция увеличится на 1,5–2 °C к середине века, а возможно, и больше! Это прямое следствие сжигания ископаемого топлива, которое экспоненциально увеличилось с середины 19 века.

В зависимости от степени повышения температуры, воздействие на обитаемость Земли может быть катастрофическим. В недавнем исследовании группа ученых изучила, как повышение температуры является долгосрочной проблемой, с которой сталкиваются развитые цивилизации, а не просто вопросом потребления ископаемого топлива. Как они утверждают, повышение планетарной температуры может быть неизбежным результатом экспоненциального роста потребления энергии. Их выводы могут иметь серьезные последствия для астробиологии и поиска внеземного разума (SETI).

Исследование было проведено Амедео Балби, доцентом кафедры астрономии и астрофизики в Римском университете Тор Вергата , и Манасви Лингам  доцентом кафедры аэрокосмических, физических и космических наук и кафедры химии и химической инженерии Флоридского технологического института (Florida Tech). Статья, в которой подробно излагаются их выводы, «Отработанное тепло и пригодность для обитания: ограничения, обусловленные потреблением технологической энергии», недавно появилась в сети и рассматривается для публикации в журнале Astrobiology .

Идея о том, что цивилизации в конечном итоге перегреют свою планету, восходит к работам советского ученого Михаила Ивановича Будыко. В 1969 году он опубликовал новаторское исследование под названием «Влияние колебаний солнечной радиации на климат Земли», где утверждал, что «Вся энергия, используемая человеком, преобразуется в тепло, причем основная часть этой энергии является дополнительным источником тепла по сравнению с нынешним приростом радиации. Простые расчеты показывают, что при нынешних темпах роста использования энергии тепло, произведенное человеком менее чем за двести лет, будет сопоставимо с энергией, поступающей от Солнца».

Это простое следствие того, что все производство и потребление энергии неизменно производят отходящее тепло. Хотя это отходящее тепло вносит лишь незначительный вклад в глобальное потепление по сравнению с выбросами углерода, долгосрочные прогнозы указывают на то, что это может измениться. 

«Текущий вклад отходящего тепла в повышение глобальной температуры минимален. Однако, если производство отходящего тепла будет продолжаться по экспоненциальной траектории в течение следующего столетия, дальнейшее повышение температуры на 1 градус Цельсия (1,8 F) может быть вызвано отходящим теплом, независимо от усиления парникового эффекта из-за ископаемого топлива. Если производство отходящего тепла будет сохранять свой экспоненциальный рост в течение столетий, мы показываем, что это может в конечном итоге привести к полной потере пригодности для жизни и гибели всей жизни на Земле», - объясняет Лингам.

Сфера Дайсона — яркий пример отработанного тепла, возникающего в результате экспоненциального роста развитой цивилизации. В своем первоначальном предложении «Поиск искусственных звездных источников инфракрасного излучения» Фримен Дайсон утверждал, что потребность в более пригодном для жизни пространстве и энергии может в конечном итоге побудить цивилизацию создать «искусственную биосферу, которая полностью окружает ее родительскую звезду». Как он описал, эти мегаструктуры будут обнаруживаться инфракрасными приборами из-за «крупномасштабного преобразования звездного света в дальнее инфракрасное излучение», то есть они будут излучать отработанное тепло в космос.

«Нагревание, которое мы изучаем в нашей статье, является результатом преобразования любой формы энергии и является неизбежным следствием законов термодинамики», — добавил Балби, который был ведущим автором исследования. «Для современной Земли это нагревание представляет собой лишь незначительную часть потепления, вызванного антропогенным парниковым эффектом. Однако, если глобальное потребление энергии продолжит расти нынешними темпами, этот эффект может стать значительным в течение нескольких столетий, потенциально влияя на пригодность Земли для жизни».

Чтобы определить, сколько времени потребуется развитым цивилизациям, чтобы достичь точки, в которой они сделают свою родную планету непригодной для жизни, Балби и Лингам создали теоретические модели, основанные на Втором законе термодинамики (в части, касающейся производства энергии). Затем они применили это к обитаемости планет, рассмотрев околосолнечную обитаемую зону (CHZ) – т. е. орбиты, на которых планета будет получать достаточно солнечной радиации для поддержания жидкой воды на своей поверхности.

«Мы адаптировали расчет обитаемой зоны, стандартный инструмент в экзопланетных исследованиях. По сути, мы включили дополнительный источник нагрева — вытекающий из технологической активности — наряду со звездным излучением», — сказал Балби. Еще один ключевой фактор, который они учитывали, — это экспоненциальные темпы роста цивилизаций и их энергопотребления, как предсказывает шкала Кардашева. Используя человечество в качестве шаблона, мы видим, что мировые темпы потребления энергии выросли с 5653 тераватт-часов (ТВт•ч) до 183 230 ТВт•ч в период с 1800 по 2023 год.

Эта тенденция была не только экспоненциальной, но и ускорялась с течением времени, подобно росту населения в тот же период (с 1 миллиарда в 1800 году до 8 миллиардов в 2023 году). Балби и Лингам экстраполировали эту тенденцию, чтобы измерить последствия для обитаемости и определить максимальную продолжительность жизни развитой цивилизации после того, как она вступила в период экспоненциального роста. В конечном итоге они пришли к выводу, что максимальная продолжительность жизни техносфер составляет около 1000 лет, при условии, что они испытывают ежегодный темп роста около 1% в течение всего интересующего периода.

По словам Балби, эти результаты имеют значение для человечества и программы поиска внеземного разума (SETI): «Наши результаты показывают, что влияние отходящего тепла может стать существенным не только в будущем Земли, но и в развитии любых гипотетических технологических видов, населяющих планеты вокруг других звезд. Следовательно, учет этого ограничения может повлиять на то, как мы подходим к поиску технологически развитой жизни во Вселенной и как мы интерпретируем результаты таких поисков. Например, это может предложить частичное объяснение парадокса Ферми».

Балби и Лингам также подчеркивают, что эти результаты представляют некоторые возможные рекомендации о том, как мы могли бы избежать превращения нашей планеты в непригодную для жизни. Опять же, есть последствия для SETI, поскольку любое решение, которое мы можем себе представить, вероятно, уже было реализовано другим продвинутым видом. 

«Хотя наша статья фокусируется на физике, а не на решениях социальных проблем, мы представляем себе несколько сценариев, которые могли бы помочь технологическому виду смягчить ограничения, связанные с отходами нагрева, и отсрочить их наступление. Достаточно развитая цивилизация могла бы использовать технологию для противодействия нагреву, например, использовать звездную защиту», - сказал Балби. «В качестве альтернативы они могли бы переместить большую часть своей технологической инфраструктуры за пределы планеты, переместив ее в космос. Такие мегаинженерные проекты имели бы значительные последствия для нашего поиска техносигнатур. Менее амбициозный, но, возможно, более осуществимый подход заключался бы в снижении потребления энергии путем замедления роста. Конечно, мы не можем предсказать, какой из этих вариантов наиболее правдоподобен».