Чем опасны парниковые газы. Выбросы парниковых газов в атмосферу, сокращение выбросов. Их знают наперечёт

Советский климатолог и метеоролог Михаил Иванович Будыко еще в 1962 году первый опубликовал соображения о том, что сжигание человечеством огромного количества разнообразных топлив, особенно возросшее во второй половине XX века, неизбежно приведет к тому, что содержание углекислого газа в атмосфере будет увеличиваться. А он, как известно, задерживает отдачу с поверхности Земли в космос солнечного и глубинного тепла, что приводит к эффекту, который мы наблюдаем в застекленных парниках. Вследствие такого парникового эффекта средняя температура приземного слоя атмосферы должна постепенно повышаться. Выводы М. И. Будыко заинтересовали американских метеорологов. Они проверили его расчеты, сами провели многочисленные наблюдения и к концу шестидесятых годов пришли к твердому убеждению в том, что парниковый эффект в атмосфере Земли существует и нарастает.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон, оксид азота.

Рис. 3. Структура выбросов странами парниковых газов

Водяной пар - важнейший естественный парниковый газ, вносит значительный вклад в парниковый эффект с сильной положительной обратной связью. Увеличение температуры воздуха вызывает увеличение влагосодержания атмосферы при примерном сохранении относительной влажности, что вызывает усиление парникового эффекта и тем самым способствует дальнейшему повышению температуры воздуха. Влияние водяного пара также может проявляться через увеличение облачности и изменение количества осадков. Хозяйственная деятельность человека вносит вклад в эмиссию водяного пара, составляющий менее 1%.

Диоксид углерода (CO2). Важнейшую роль в созидании парникового эффекта играет, кроме водяного пара, углекислый газ. Планетарный углеродный цикл представляет собой сложную систему, его функционирование на различных характерных временах определяется различными процессами, которыми соответствуют различные скорости круговорота CO2. Углекислый газ, как и азот, и водяной пар, поступали и поступают в атмосферу из глубоких слоев планеты в ходе дегазации верхней мантии и земной коры. Эти составляющие атмосферного воздуха входят в число газов, выбрасываемых в атмосферу при извержении вулканов, выделяются из глубоких трещин в земной коре и из горячих источников.

Рис. 4. Структура выбросов углекислого газа по регионам планеты в 1990-е

Метан (CH4). Метан является парниковым газом . Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана росло очень быстро на протяжении последних двух столетий. Сейчас среднее содержание метана CH 4 в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million , частей на миллион). Его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей - существенно выше, чем от СО 2 . Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов - СO 2 , паров воды, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C, а сейчас она около +15°C. Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана - высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.

Оксид азота (N2O) - третий по значимости парниковый газ Киотского протокола. Выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т.п. На него приходится около 6 % глобального потепления.

Тропосферный озон, я вляясь парниковым газом, тропосферный озон (троп. О 3) оказывает как прямое влияние на климат через поглощение длинноволновой радиации Земли и коротковолновой радиации Солнца, так и через химические реакции, которые изменяют концентрации других парниковых газов, например, метана (троп. О 3 необходим для образования важного окислителя парниковых газов - радикала - ОН). Увеличение концентрации троп. О 3 с середины XVIII века является третьим по величине положительным радиационным воздействием на атмосферу Земли после СО 2 и СН 4 . В целом содержание троп. О 3 в тропосфере определяется процессами его образования и разрушения в ходе химических реакций с участием предшественников озона, имеющих как естественное, так и антропогенное происхождение, а также процессами переноса озона из стратосферы (где его содержание значительно больше) и поглощением озона поверхностью земли. Время жизни троп. О 3 - до нескольких месяцев, что значительно меньше, чем у других парниковых газов (СО 2 , СН 4 , N 2 O). Концентрация троп. О 3 значительно изменяется во времени, по пространству и высоте, и её мониторинг является значительно более сложной задачей, чем мониторинг хорошо перемешанных в атмосфере парниковых газов.

Учеными был сделан однозначный вывод о том, что выбросы в атмосферу, вызванные человеческой деятельностью, приводят к существенному увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. На основе расчетов с использованием компьютерных моделей было показано, что если сохранится нынешняя скорость поступления парниковых газов в атмосферу, то всего за 30 лет температура в среднем по Земному шару повысится, примерно, на 1°. Это необычно большое повышение температуры, если судить по палеоклиматическим данным. Необходимо отметить, что оценки экспертов, по-видимому, несколько занижены. Потепление, скорее всего, будет усиливаться в результате ряда природных процессов. Причиной большего, чем прогнозируемое, потепления может быть неспособность нагревающегося океана поглощать из атмосферы расчетное количество диоксида углерода.

Из результатов численного моделирования также следует, что средняя глобальная температура в следующем столетии будет повышаться со скоростью 0,3°С за 10 лет. В результате к 2050 г. она может возрасти (по сравнению с доиндустриальным временем) на 2°С, а к 2100 году - на 4°С. Глобальное потепление должно сопровождаться усилением осадков (к 2030 г. на несколько процентов), а также повышением уровня Мирового океана (к 2030 г. - на 20 см, а к концу столетия - на 65 см).

Данные научных исследований предоставляют информацию о том, что без уменьшения массы парниковых газов в земной атмосфере человечеству ухудшения климата на планете не избежать.

Откуда они взялись?

Парниковые газы, находясь в атмосферах планет, способствуют возникновению некоторого опасного эффекта. Он назван соответственно – парниковым. С одной стороны, без этого явления наша планета никогда не смогла бы согреться настолько, чтобы на ней зародилась жизнь. С другой – всё хорошо в меру и до определённого момента. Поэтому речь пойдёт о проблемах цивилизации, связанных с явлением парниковых газов, которое, сыграв свою положительную роль, со временем поменяло своё качество и стало темой для дискуссий, исследований и всеобщей тревоги.

Много миллионов лет назад Солнце, нагревая Землю, постепенно превратило её саму в источник энергии. Частично её тепло уходило в космическое пространство. Кроме того, оно отражалось газами в атмосфере и согревало слои воздуха, приближённые к земле. Такому процессу, схожему с сохранением тепла под прозрачной плёнкой в теплицах, учёные дали название . А газы, которые его провоцируют, они назвали также просто. Их наименование – «парниковые газы».

На заре установления климата Земли возникновению данного эффекта способствовала активная деятельность вулканов. Выбросы в виде водяного пара и углекислого газа в огромном количестве задерживались в атмосфере. Получался гиперпарниковый эффект, подогревавший Мировой океан практически до точки кипения. И только с появлением зелёной биосферы, поглощающей углекислый газ атмосферы, температурный режим планеты постепенно нормализовался.

Однако всеобщая индустриализация, постоянный рост производственных мощностей поменяли не только химический состав парниковых газов, но и суть этого явления.

Их знают наперечёт

Парниковый газ представляет собой соединение, которое задерживается в атмосфере Земли и становится преградой её тепловым излучениям на пути к космосу. Отданное планетой тепло снова возвращается обратно. В результате показатели средней температуры неуклонно растут, что может привести к непредсказуемым последствиям.

Излишний нагрев планеты происходит по причине разницы в прозрачности слоёв атмосферы. Солнечные лучи проходят через них легко. Для ультрафиолета атмосфера прозрачна. Тепловым инфракрасным излучениям трудно пробиться через её нижние слои, где собираются парниковые газы. Дело в том, что они создают уплотнение.

Киотский протокол содержит чёткий перечень парниковых газов, с присутствием которых в атмосфере Земли следует бороться. К таковым относятся:

водяной пар;
углекислый газ;
метан;
закись азота;
фреоны;
озон;
перфторуглероды;
гексафторид серы.

Опасный потенциал

Водяной пар относят к естественным газам, однако его участие в образовании парникового эффекта достаточно велико. Его нельзя недооценивать.

Углекислый газ рассматривают как один главных факторов, влияющих на климат планеты. Его доля в атмосфере составляет около 64%, и ровно настолько велика его роль в глобальном потеплении. Основные источники его выброса в атмосферу таковы:

вулканические извержения;
процесс обмена веществ биосферы;
сжигание биомассы и ископаемого топлива;
уничтожение лесов;
производственные процессы.

Метан не распадается в атмосфере на протяжении 10 лет и представляет собой серьёзную угрозу климату Земли. Его парниковый эффект в 28 раз превышает возможности углекислого газа, а в перспективе 20-ти лет, если не прекратить его эмиссию, это превосходство дойдёт до 84-х. Главные его источники носят антропогенный характер. Это:

сельскохозяйственное производство, в частности, выращивание риса;
скотоводство (увеличение поголовья и, как следствие, нечистот);
сжигание леса.

Частично парниковый метан появляется в результате утечки в процессе разработки месторождений каменного угля. Он также выделяется при добыче природного газа.

Фреоны представляют собой особую опасность для экологии. В основном их используют в аэрозолях и холодильных установках.

Закись азота – парниковый газ, который находится на одном из ведущих мест по количеству в атмосфере и влиянию на глобальное потепление. Источники его происхождения и применения:

производство минеральных удобрений в химической промышленности;
пищевая промышленность использует его в качестве пропеллента;
в отраслях машино- и ракетостроения его применяют в двигателях.

Озон, вернее та его часть, которую относят к вредным газам, создающим парниковый эффект, находится в нижних слоях тропосферы. Увеличиваясь вблизи земли, его количество может наносить вред зелёным насаждениям, повреждая их листья и уменьшая способность к фотосинтезу. В основном он образуется в результате реакции взаимодействия окисей углерода, оксидов азота с парами воды, солнечным светом и летучими органическими соединениями в присутствии кислорода. Основные источники этих веществ в атмосфере – выбросы парниковых газов промышленными объектами, транспортными средствами и химические растворители.

Перфторуглероды – результат производства алюминия, растворителей и электроники. Они используются в диэлектриках, носителях тепла, хладагентах, смазочных маслах и даже в качестве искусственной крови. Их можно получить только путём химического синтеза. Как большинство фторсодержащих газов, они опасны для окружающей среды. Их парниковый потенциал оценивают в сотни раз выше, чем у углекислого газа.

Гексафторид серы – также один из тех парниковых газов, какие указаны в Киотском протоколе как потенциально опасные. Он применяется в сфере пожаротушения, в электронной и металлургической промышленности в качестве технологической среды, известна его роль как хладагента и т.д. Его выбросы надолго остаются в атмосфере и активно накапливают инфракрасные излучения.

Пути решения проблемы

Мировое сообщество прикладывает немало усилий для выработки единой программы действий в направлении сокращения выбросов парниковых газов.

Одной из серьёзных составляющих экологической политики является утверждение стандартов на выхлопы топливных продуктов сгорания и сокращение использования топлива за счёт перехода автопромышленности на выпуск электромобилей.

Работа атомных электростанций, не использующих уголь и нефтепродукты, косвенно уже позволяет сократить количество углекислого газа в атмосфере в разы.

Транснациональные газовые и нефтяные перерабатывающие компании координируют свою деятельность с международными экологическими организациями и правительствами для борьбы с выбросами метана. К ним уже присоединилось немало крупных добывающих нефть и газ государств, таких как Нигерия, Мексика, Норвегия, США, Россия.

Существенное сокращение или запрет на вырубку лесов также может ощутимо повлиять на оздоровление окружающей среды. По мере своего роста деревья поглощают огромное количество углекислого газа. Во время спиливания они его выделяют. Снижение процента под пахотные земли в тропических странах уже внесло весомый вклад в оптимизацию мировых показателей выбросов парниковых газов.

Частью всемирной экологической программы являются новые европейские ограничения технологических характеристик бойлеров и водонагревателей. Все разработки таких бытовых приборов впредь должны соответствовать требованиям контроля за выбросом углекислого газа в процессе их применения. Ожидается, что при условии внедрения новых технологий на протяжении шести лет этот парниковый газ уменьшит своё присутствие в атмосфере на 136 млн. тонн.

Возобновляемая энергия – вызов парниковым газам

В последнее время появилась модная тенденция инвестировать в развитие отраслей возобновляемой энергии. Процент её использования в масштабах мирового потребления медленно, но неуклонно растёт. Её называют «зелёной энергией», так как она берёт своё начало в естественных регулярных процессах, которые происходят в природе.

Ресурсы, такие как водные потоки, ветер, солнечный свет, приливы, человек теперь научился применять для технических нужд. Процент мирового энергопотребления из возобновляемых источников к 2014 году уже подтянулся к 20-ти. Каждый год на 30% больше используется энергии ветра во всём мире. Увеличивается производство фотоэлектрических панелей. В Испании и Германии растёт популярность солнечных электростанций.

Работающие двигатели автомобилей выбрасывают парниковый газ в огромных количествах. Доказательство этого факта стало стимулом к поиску «зелёных» видов бензина. Недавние исследования показали, что биоэтанол можно рассматривать как альтернативу моторному топливу из нефтепродуктов. В рамках экологической программы Бразилия уже на протяжении нескольких лет занимается производством этанола из сахарного тростника. Его вырабатывают в больших количествах из зерновых, рисовой и кукурузной целлюлозы США. Биотопливо уже начинает частично заменять бензин во многих станах мира.

Вклад каждого

Парниковые газы и их разрушительную работу нельзя увидеть или почувствовать. Пока это всё нам ещё трудно представить. Однако данная проблема может коснуться уже следующего поколения. Думая не только о себе, люди могут принять участие в решении этой задачи уже сегодня. Если каждый из нас посадит дерево, вовремя затушит костёр в лесу, пересядет при первой же возможности на автомобиль, «заправленный» электричеством, он обязательно оставит свой след в будущем.

Парниковые газы

Парниковые газы - газы с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и с высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне. Присутствие таких газов в атмосферах планет приводит к появлению парникового эффекта .

Основным парниковым газом в атмосферах Венеры и Марса является диоксид углерода, в атмосфере Земли - водяной пар.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли , являются водяной пар , углекислый газ , метан и озон

Потенциально в парниковый эффект могут вносить вклад и антропогенные галогенированные углеводороды и оксиды азота , однако ввиду низких концентраций в атмосфере оценка их вклада проблематична.

Водяной пар

Анализ пузырьков воздуха во льдах свидетельствует о том, что сейчас в атмосфере Земли больше метана, чем в любое время за последние 400000 лет. С 1750 года средняя глобальная атмосферная концентрация метана возросла на 150 процентов от приблизительно 700 до 1745 частей на миллиард по объему (ppbv) в 1998 году. За последнее десятилетие, хотя концентрация метана продолжала расти, скорость роста замедлилась. В конце 1970-х годов темпы роста составили около 20 ppbv в год. В 1980-х годов рост замедлился до 9-13 ppbv в год. В период с 1990 по 1998 наблюдался рост между 0 и 13 ppbv в год. Недавние исследования (Dlugokencky и др.) показывают устойчивую концентрацию 1751 ppbv между 1999 и 2002 гг.

Метан удаляется из атмосферы посредством нескольких процессов. Баланс между выбросами метана и процессами его удаления в конечном итоге определяет атмосферные концентрации и время пребывания метана в атмосфере. Доминирующим является окисление с помощью химической реакции с гидроксильными радикалами (ОН). Метан реагирует с ОН в тропосфере, производя СН 3 и воду. Стратосферное окисление также играет некоторую (незначительную) роль в устранении метана из атмосферы. На эти две реакции с ОН приходится около 90% удаления метана из атмосферы. Кроме реакции с ОН известно еще два процесса: микробиологическое поглощение метана в почвах и реакция метана с атомами хлора (Cl) на поверхности моря. Вклад этих процессов 7% и менее 2% соответственно.

Озон

Озон является парниковым газом. В то же время озон необходим для жизни, поскольку защищает Землю от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца.

Однако ученые различают стратосферный и тропосферный озон. Первый (так называемый озоновый слой) является постоянной и основной защитой от вредного излучения. Второй же считается вредным, так как может переноситься к поверхности Земли, где вредит живым существам, и к тому же неустойчив и не может быть надежной защитой. Кроме того, повышение содержания именно тропосферного озона внесло вклад в рост парникового эффекта атмосферы, который (по наиболее широко распространенным научным оценкам) составляет около 25% от вклада СО 2

Большая часть тропосферного озона образуется, когда оксиды азота (NO x), окись углерода (СО) и летучие органические соединения вступают в химические реакции в присутствии солнечного света. Транспорт, промышленные выбросы, а также некоторые химические растворители являются основными источниками этих веществ в атмосфере. Метан, атмосферная концентрация которого значительно возросла в течение последнего столетия, также способствует образованию озона. Время жизни тропосферного озона составляет примерно 22 дня, основными механизмами его удаления являются связывание в почве, разложение под действием ультрафиолетовых лучей и реакции с радикалами OH и HO 2 .

Концентрации тропосферного озона отличаются высоким уровнем изменчивости и неравномерности в географическом распределении. Существует система мониторинга уровня тропосферного озона в США и Европе , основанная на спутниках и наземном наблюдении. Поскольку для образования озона требуется солнечный свет, высокие уровни озона наблюдаются обычно в периоды жаркой и солнечной погоды. Нынешняя средняя концентрация тропосферного озона в Европе в три раза выше, чем в доиндустриальную эпоху.

Увеличение концентрации озона вблизи поверхности имеет сильное негативное воздействие на растительность, повреждая листья и угнетая их фотосинтетический потенциал. В результате исторического процесса увеличения концентрации приземного озона, вероятно, была подавлена способность поверхности суши поглощать СО 2 и поэтому увеличились темпы роста СО 2 в XX веке. Ученые (Sitch и др. 2007) полагают, что это косвенное воздействие на климат увеличило почти вдвое тот вклад, который концентрация приземного озона внесла в изменения климата. Снижение загрязнения нижней тропосферы озоном может компенсировать 1-2 десятилетия эмиссии СО 2 , при этом экономические издержки будут относительно невелики (Wallack и Ramanathan, 2009).

Оксид азота

Парниковая активность закиси азота в 298 раз выше, чем у углекислого газа.

Фреоны

Парниковая активность фреонов в 1300-8500 раз выше чем у углекислого газа. Основным источником фреона являются холодильные установки и аэрозоли.

См. также

Киотский протокол (CO 2 , CH 4 , HFCs, PFCs, N 2 O, SF 6)

Примечания

Ссылки

Point Carbon – аналитическая компания, специализирующаяся на предоставлении независимой оценки, прогнозов, и информации о торговле выбросами парниковых газов.
“Г И С – атмосфера” автоматическая система мониторинга качества атмосферного воздуха

Парниковый эффект в атмосфере нашей планеты вызван тем, что поток энергии в инфракрасном диапазоне спектра, поднимающийся от поверхности Земли, поглощается молекулами газов атмосферы, и излучается обратно в разные стороны, в результате половина поглощенной молекулами парниковых газов энергии возвращается обратно к поверхности Земли, вызывая её разогрев. Следует отметить, что парниковый эффект - это естественное атмосферное явление (рис.5). Если бы на Земле вообще не было парникового эффекта, то средняя температура на нашей планеты была бы около -21°С, а так, благодаря парниковым газам, она составляет +14°С. Поэтому, чисто теоретически, деятельность человека, сопряжённая с выбросом парниковых газов в атмосферу Земли, должна приводить к дальнейшему разогреву планеты. Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар (36-70%), углекислый газ (9-26%), метан (4-9%), галоуглероды, оксид азота.

Рис.

Угольные электростанции, заводские трубы, автомобильные выхлопы и другие созданные человечеством источники загрязнения вместе выбрасывают в атмосферу около 22 миллиардов тонн углекислого газа и других парниковых газов в год. Животноводство, применение удобрений, сжигание угля и другие источники дают около 250 миллионов тонн метана в год. Около половины всех парниковых газов, выброшенных человечеством, осталось в атмосфере. Около трёх четвертей всех антропогенных выбросов парниковых газов за последние 20 лет вызваны использованием нефти, природного газа и угля (рис.6). Большая часть остального вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой лесов.

Рис.

Водяной пар - самый главный на сегодня парниковый газ. Однако водяной пар участвует и во множестве других процессов, что делает его роль далеко неоднозначной в разных условиях.

Прежде всего, при испарении с поверхности Земли и дальнейшей конденсации в атмосфере, в нижние слои атмосферы (тропосферу) благодаря конвекции переносится до 40% от всего тепла, поступающего в атмосферу. Таким образом, водяной пар при испарении несколько понижает температуру поверхности. Но выделившееся в результате конденсации в атмосфере тепло идет на ее разогрев, и в дальнейшем, на разогрев и самой поверхности Земли.

Но после конденсации водяного пара образуются водяные капельки либо кристаллики льда, которые интенсивно участвуют в процессах рассеяния солнечного света, отражая часть солнечной энергии назад в космос. Облака, как раз представляющие из себя скопления этих капелек и кристалликов, увеличивают долю солнечной энергии (альбедо), отражаемой самой атмосферой обратно в космос (а дальше осадки из облаков могут выпасть в виде снега, увеличивая альбедо поверхности).

Однако у водяного пара, даже сконденсированного в капельки и кристаллики, все равно остаются мощные полосы поглощения в инфракрасной области спектра, а значит роль тех же облаков далеко не однозначна. Двойственность эта особенно заметна в следующих крайних случаях - при покрытии облаками неба в солнечную летнюю погоду температура на поверхности снижается, а если то же самое происходит зимней ночью, то наоборот, повышается. На окончательный результат влияет и положение облаков - на низких высотах мощная облачность отражает много солнечной энергии, и баланс может быть в данном случае в пользу антипарникового эффекта, а вот на больших высотах, разреженные перистые облака пропускают довольно много солнечной энергии вниз, но даже разреженные облака являются почти непреодолимы препятствием для инфракрасного излучения и, и тут можно говорить о преобладании парникового эффекта.

Еще одна особенность водяного пара - влажная атмосфера в некоторой степени способствует связыванию другого парникового газа - углекислого, и переносу его дождевыми осадками к поверхности Земли, где он в результате дальнейших процессов может быть израсходован в процессах образования карбонатов и горючих полезных ископаемых.

Человеческая деятельность очень слабо непосредственно влияет на содержание водяного пара в атмосфере - только лишь за счет роста площади орошаемых земель, изменения площади болот и работы энергетики, что на фоне испарения со всей водной поверхности Земли и вулканической деятельности ничтожно мало. Из-за этого довольно часто на нем мало акцентируется внимание при рассмотрении проблемы парникового эффекта.

Однако косвенное влияние на содержание водяного пара может быть очень велико, за счет обратных связей между содержанием водяного пара в атмосфере и потеплением, вызванном другими парниковыми газами, что мы сейчас и рассмотрим.

Известно, что при увеличении температуры увеличивается и испарение водяного пара, и на каждые 10 °С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается. Например, при 0 °С давление насыщенного пара составляет около 6 мб, при +10 °С - 12 мб, а при +20 °С - 23 мб.

Видно, что содержание водяного пара сильно зависит от температуры, и при понижении ее по каким-либо причинам, во-первых, понижается сам парниковый эффект водяного пара (благодаря уменьшившемуся содержанию), а во-вторых, происходит конденсация водяного пара, которая конечно, сильно тормозит понижение температуры за счет выделения конденсационного тепла, но зато уже после конденсации увеличивается отражение солнечной энергии, как самой атмосферы (рассеяние на капельках и кристаллах льда), так и поверхности (выпадение снега), что дополнительно понижает температуру.

При повышении температуры содержание водяного пара в атмосфере растет, его парниковый эффект увеличивается, что усиливает первоначальное повышение температуры. В принципе, растет и облачность (больше водяного пара попадает в относительно холодные области), однако крайне слабо - по данным И. Мохова порядка 0,4% на градус потепления, что не может сильно повлиять на рост отражения солнечной энергии.

Углекислый газ - второй по вкладу в парниковый эффект на сегодня, не вымораживается при понижении температуры, и продолжает создавать парниковый эффект даже при самых низких температурах, возможных в земных условиях. Вероятно, именно благодаря постепенному накоплению углекислого газа в атмосфере вследствии вулканической деятельности, Земля смогла выйти из состояния мощнейших оледенений (когда даже на экватор был покрыт мощнейшим слоем льда), в которые она попадала в начале и конце протерозоя.

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и изменение земного климата связывают прежде всего с изменением баланса его поступления в атмосферу и выведения из нее.

Благодаря относительно высокой растворимости углекислого газа в воде, содержание углекислого газа в гидросфере (прежде всего океаны) сейчас составляет 4х104 Гт (гигатонн) углерода (отсюда и далее приводятся данные по СО2 в пересчете на углерод), включая глубинные слои (Путвинский, 1998). В атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х102 Гт углерода (Алексеев и др., 1999). Небольшим содержание СО2 в атмосфере было далеко не всегда - так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа, при существенно большем давлении и температуре (Сорохтин, Ушаков, 1997). Однако поступление значительных масс воды на поверхность Земли в результате дегазации недр, а также возникновение жизни обеспечило связывание почти всего атмосферного и значительной части растворенного в воде углекислого газа в виде карбонатов (в литосфере хранится около 5,5х107 Гт углерода (доклад МГЭИК, 2000)). Также углекислый газ стал преобразовываться живыми организмами в различные формы горючих полезных ископаемых. Кроме того, связывание части углекислого газа произошло и за счет накопления биомассы, общие запасы углерода в которой сравнимы с запасами в атмосфере, а учитывая еще и почвы - превышает в несколько раз.

Однако, нас прежде всего интересуют потоки, обеспечивающие поступление углекислого газа в атмосферу, и выводящие его из нее. Литосфера сейчас обеспечивает весьма небольшой поток углекислого газа, поступающего в атмосферу прежде всего благодаря вулканической деятельности - около 0.1 Гт углерода в год (Путвинский, 1998). Значительно большие потоки наблюдаются в системах океан (вместе с обитающими там организмами) - атмосфера, и наземная биота - атмосфера. В океан ежегодно поступает из атмосферы около 92 Гт углерода и 90 Гт возвращается обратно в атмосферу (Путвинский, 1998). Таким образом, океаном ежегодно дополнительно изымается из атмосферы около 2 Гт углерода. В то же время в процессах дыхания и разложения наземных умерших живых существ в атмосферу поступает около 100 Гт углерода в год. В процессах фотосинтеза наземной растительностью изымается из атмосферы тоже около 100 Гт углерода (Путвинский, 1998). Как мы видим, механизм поступления и изъятия углерода из атмосферы достаточно сбалансирован, обеспечивая приблизительно равные потоки. Современная жизнедеятельность человека включает в этот механизм все увеличивающийся дополнительный поток углерода в атмосферу за счет сжигания горючих ископаемых (нефть, газ, уголь и пр.) - по данным, например, за период 1989-99 гг., в среднем около 6,3 Гт в год. Также поток углерода в атмосферу увеличивается и за счет вырубки и частичного сжигания лесов - до 1,7 Гт в год (доклад МГЭИК, 2000), при этом прирост биомассы, способствующий поглощению СО2 составляет всего около 0,2 Гт в год вместо почти 2 Гт в год. Даже учитывая возможность поглощения около 2 Гт дополнительного углерода океаном, все равно остается довольно значимый дополнительный поток (к настоящему времени около 6 Гт в год), увеличивающий содержание углекислого газа в атмосфере. Кроме того, поглощение углекислого газа оканом уже в ближайшем будущем может уменьшится, и даже возможен обратный процесс - выделение углекислого газа из Мирового океана. Это связано с понижением растворимости углекислого газа при повышении температуры воды - так, например, при повышении температуры воды всего с 5 до 10 °С, коэффициент растворимости углекислого газа в ней уменьшается приблизительно с 1,4 до 1,2.

Итак, поток углекислого газа в атмосферу, вызываемый хозяйственной деятельностью не велик по сравнению с некоторыми естественными потоками, однако его нескоменсированность приводит к постепенному накоплению СО2 в атмосфере, что разрушает баланс поступления и изъятия СО2, складывавшийся за миллиарды лет эволюции Земли и жизни на ней.

Многочисленные факты геологического и исторического прошлого свидетельствуют о связи между изменениями климата и колебаниями содержания парниковых газов. В период от 4 до 3,5 млрд. лет назад яркость Солнца была примерно на 30% меньше, чем сейчас. Однако и под лучами молодого, «бледного» Солнца на Земле развивалась жизнь и образовывались осадочные породы: по крайней мере на части земной поверхности температура была выше точки замерзания воды. Некоторые ученые высказывают предположение, что в ту пору в земной атмосфере содержал ось в 1000 раз больше диоксида углерода , чем сейчас, и это компенсировало нехватку солнечной энергии, поскольку больше тепла, излучаемого Землей, оставалось в атмосфере. Усиливавшийся парниковый эффект мог стать одной из причин исключительно теплого климата позднее - в мезозойскую эру (эпоху динозавров). По данным анализа ископаемых остатков на Земле в ту пору было на 10-15 ос теплее, чем сейчас. Следует заметить, что тогда, 100 млн. лет назад и раньше, континенты занимали иное положение, чем в наше время, и океаническая циркуляция также была иной, поэтому перенос тепла от тропиков в полярные районы мог быть больше. Однако расчеты, выполненные Эриком Дж. Барроном, работающим сейчас в Пенсильванском университете, и другими исследователями, показывают, что с палеоконтинентальной географией могло быть связано не более половины мезозойского потепления. Остающуюся часть потепления легко объяснить ростом содержания диоксида углерода. Это предположение было впервые выдвинуто советскими учеными А. Б. Роновым из Государственного гидрологического института и М. И. Будыко из Главной геофизической обсерватории. Расчеты, подтверждающие это предложение, были проведены Эриком Барроном, Старли Л. Томпсоном из Национального центра атмосферных исследований (NCAR). Из геохимической модели, разработанной Робертом А. Бернером и Антонио К. Ласагой из Йельского университета и ныне покойным Робертом. Поля в штате Техас превратились в пустыню, после того как здесь в 1983 г. некоторое время продержалась засуха Такую картину, как показывают расчеты по компьютерным моделям, можно будет наблюдать во многих местах, если в результате глобального потепления уменьшится влажность почвы в центральных районах континентов, где сосредоточено производство зерна.

М. Гаррелсом из Университета Южной Флориды, следует, что диоксид углерода мог выделяться при исключительно сильной вулканической активности на срединно-океанических хребтах, где поднимающаяся магма формирует новое океаническое дно. Прямые свидетельства, указывающие на связь во время оледенений между содержанием в атмосфере парниковых газов и климатом, можно «извлечь» из пузырьков воздуха, включенных в антарктический лед, который образовался в древние эпохи в результате спрессовывания падающего снега. Группа исследователей, возглавляемая Клодом Лорью из Лаборатории гляциологии и геофизики в Гренобле, изучила колонку льда длиной 2000 м (соответствующую периоду продолжительностью 160 тыс. лет), полученную советскими исследователями на станции «Восток» в Антарктиде. Лабораторный анализ газов, заключенных в этой колонке льда, показал, что в древней атмосфере концентрации диоксида углерода и метана менялись согласованно и, что более важно, «в такт» с изменениями средней локальной температуры (она была определена по отношению концентраций изотопов водорода в молекулах воды). Во время последнего межледникового периода, продолжающегося уже 10 тыс. лет, и в предшествующее ему межледниковье (130 тыс. лет назад) продолжительностью также 10 тыс. лет, средняя температура в этом районе была на 10 ос выше, чем во время оледенений. (В целом на Земле в указанные периоды было на 5 ос теплее.) В эти же периоды в атмосфере содержал ось на 25% больше диоксида углерода и на 100070 больше метана, чем во время оледенений. Неясно, было ли причиной изменение содержания парниковых газов, а следствием климатические изменения или наоборот. Скорее всего, причиной оледенений были изменения орбиты Земли и особая динамика продвижения и отступания ледников; однако эти климатические колебания могли усиливаться благодаря изменениям биоты и колебаниям океанической циркуляции, влияющим на содержание парниковых газов в атмосфере. Еще более подробные данные о флуктуациях содержания парниковых газов и изменениях климата имеются для последних 100 лет, за которые произошло дальнейшее увеличение на 25% концентрации диоксида углерода и на 100% метана. «Записи» средней температуры на земном шаре для последних 100 лет были изучены двумя группами исследователей, возглавляемыми Джеймсом Э. Хансеном из Годдардовского института космических исследований Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, и Т. М. Л. Уигли из Отдела климата Университета Восточной Англии.

Задержка тепла атмосферой - основной компонент энергетического баланса Земли (рис.8). Примерно 30% энергии, поступающей от Солнца, отражается (слева) либо от облаков, либо от частиц, либо от поверхности Земли; остальные 70% поглощаются. Поглощенная энергия переизлучается в инфракрасном диапазоне поверхностью планеты.

Рис.

Эти ученые воспользовались данными измерений на метеостанциях, разбросанных по всем континентам (группа из Отдела климата включила также в анализ данные измерений на море). Вместе с тем в двух группах были приняты разные методики анализа наблюдений и учета «искажений», связанных, например, с тем, что некоторые метеостанции за сто лет «переехали» на другое место, а некоторые, расположенные в городах, давали данные, «загрязненные» влиянием тепла, выделяемого промышленными предприятиями или накапливаемого за день зданиями и мостовой. Последний эффект, приводящий к появлению «островов тепла», очень заметен в развитых странах, например в США. Вместе с тем, даже если рассчитанную для США поправку (она была получена Томасом Р. Карлом из Национального центра климатических данных в Эшвилле, шт. Северная Каролина, и П. Д. Джоунсом из Университета Восточной Англии) распространить на все данные по земному шару, в обеих записях останется «<реальное» потепление величиной 0,5 О С, относящееся к последним 100 годам. В согласии с общей тенденцией 1980-е годы остаются самым теплым десятилетием, а 1988, 1987 и 1981 гг. - наиболее теплыми годами (в порядке перечисления). Можно ли считать это «сигналом» парникового потепления? Казалось бы, можно, однако в действительности факты не столь однозначны. Возьмем для примера такое обстоятельство: вместо неуклонного потепления, какое можно ожидать от парникового эффекта, быстрое повышение температуры, происходившее до конца второй мировой войны, сменилось небольшим похолоданием, продлившимся до середины 1970-х годов, за которым последовал второй период быстрого потепления, продолжающийся по сей день. Какой характер примет изменение температуры в ближайшее время? Чтобы дать такой прогноз, необходимо ответить на три вопроса. Какое количество диоксида углерода и других парниковых газов будет выброшено в атмосферу? Насколько при этом возрастет концентрация этих газов в атмосфере? Какой климатический эффект вызовет это повышение концентрации, если будут действовать естественные и антропогенные факторы, которые могут ослаблять или усиливать климатические изменения? Прогноз выбросов - нелегкая задача для исследователей, занимающихся анализом человеческой деятельности. Какое количество диоксида углерода попадет в атмосферу, зависит главным образом от того, сколько ископаемого топлива будет сожжено и сколько лесов вырублено (последний фактор ответствен за половину прироста парниковых газов с 1800 г. и за 20070прироста в наше время). И тот и другой фактор зависят в свою очередь от множества причин. Так, на потреблении ископаемого топлива сказываются рост населения, переход к альтернативным источникам энергии и меры по экономии энергии, а также состояние мировой экономики. Прогнозы в основном сводятся к тому, что потребление ископаемого топлива на земном шаре в целом будет увеличиваться примерно с той же скоростью, что и сегодня намного медленнее, чем до энергетического кризиса 1970-х годов. В результате эмиссия (поступление в атмосферу) диоксида углерода в ближайшие несколько десятилетий, будет увеличиваться на 0,5-2070 в год. Другие парниковые газы, такие как ХФУ, оксиды азота и тропосферный озон, могут вносить в потепление климата почти столь же большой вклад, что и диоксид углерода, хотя в атмосферу их попадает значительно меньше: объясняется это тем, что они более эффективно поглощают солнечную радиацию. Предсказать, какова будет эмиссия этих газов - задача еще более трудная. Так, например, не вполне ясно происхождение некоторых газов, в частности метана; величина выбросов других газов, таких как ХФУ или озон, будет зависеть от того, какие изменения в технологии и политике произойдут в ближайшем будущем.

Обмен углеродом между атмосферой и различными «резервуарами» на Земле (рис.9). Каждое число указывает в миллиардах тонн приход или уход углерода (в форме диоксида) за год или его запас в резервуаре. В этих естественных циклах, один из которых «замыкается» на сушу,а другой на океан, из атмосферы удаляется ровно столько диоксида углерода, сколько в нее поступает, однако человеческая деятельность - сведение лесов и сжигание ископаемого топлива - приводит к тому, что содержание углерода в атмосфере ежегодно повышается на 3 млрд. тонн. Данные заимствованы из работы Берта Болина, работающего в Стокгольмском университете

Рис.9

Предположим, мы имеем разумный прогноз того, как будет изменяться эмиссия диоксида углерода. Какие изменения в этом случае произойдут с концентрацией этого газа в атмосфере? Атмосферный диоксид углерода «потребляется» растениями, а также океаном, где он расходуется на химические и биологические процессы. С изменением концентрации атмосферного диоксида углерода будет, вероятно, меняться и скорость «потребления» этого газа. Иными словами, процессы, обусловливающие изменение содержания атмосферного диоксида углерода, должны включать обратную связь. Диоксид углерода является «сырьем» для фотосинтеза в растениях, поэтому потребление его растениями скорее всего будет увеличиваться с накоплением его в атмосфере, что замедлит это накопление. Аналогично этому, поскольку содержание диоксида углерода в поверхностных водах океана находится в примерном равновесии с его содержанием в атмосфере, увеличение поглощения диоксида углерода океанской водой приведет к замедлению его накопления в атмосфере. Может случиться, однако, что накопление в атмосфере диоксида углерода и других парниковых газов приведет в действие механизмы положительной Обратной связи, которые будут усиливать климатический эффект. Так, быстрые изменения климата могут привести к исчезновению части лесов и других экосистем, что ослабит способность биосферы поглощать диоксид углерода. Более того, потепление может привести к быстрому высвобождению углерода, содержащегося в почве в составе мертвой органической материи. Этот углерод, количество которого вдвое выше, чем в атмосфере, постоянно превращается в диоксид углерода и метан под действием почвенных бактерий. Потепление может ускорить их «работу», в результате чего ускорится выделение диоксида углерода (из сухих почв) и метана (из районов, занятых рисовыми полями, из свалок и заболоченных земель). Довольно много" метана запасено также в осадках на континентальном шельфе и ниже слоя вечной мерзлоты в Арктике в виде клатратов - молекулярных решеток, состоящих из молекул метана и воды. Потепление шельфовых вод и таяние вечной мерзлоты могут привести к высвобождению метана. Несмотря на указанные неопределенности, многие исследователи считают, что поглощение диоксида углерода растениями и океаном замедлит накопление этого газа в атмосфере - по крайней мере в ближайшие 50-100 лет. Типичные оценки, основанные на существующей в настоящее время скорости эмиссии, показывают, что из всего количества диоксида углерода, попадающего в атмосферу, оставаться там будет примерно половина. Из этого следует, что удвоение концентрации диоксида углерода по сравнению с 1900 г. (до уровня 600 млн. произойдет примерно между 2030 и 2080 гг. Вместе с тем другие парниковые газы будут, скорее всего, накапливаться в атмосфере быстрее.

При сжигании ископаемого топлива (угля, нефти, газа) в атмосферу выбрасывается диоксид углерода и другие газы. Эти выбросы способствуют повышению температуры на Земле («парниковый эффект»). Повышение температуры приводит к повышению уровня моря, возникновению мощных ураганов и другим проблемам, связанным с изменениями климата. Если все жители планеты будут меньше пользоваться автомобилями, экономить электроэнергию и создавать меньше отходов, человечество уменьшит его «углеродистый след», что поможет в борьбе с глобальным потеплением.

Шаги

Углеродистый след

Вычислите ваш «углеродистый след». Углеродистый след – это количество углерода, которое выбрасывается в атмосферу благодаря жизнедеятельности определенного человека. Если ваша жизнедеятельность основана на большом количестве сжигаемого топлива, то ваш «след» весьма большой. Например, «след» человека, пользующегося велосипедом, меньше «следа» человека, который ездит на автомобиле.

Если вы беспокоитесь о снижении выбросов парниковых газов, измените ваши привычки. Сосредоточьтесь на тех аспектах вашей жизнедеятельности, которые вы можете изменить (лучше навсегда). Даже небольшие изменения образа жизни могут иметь важное значение для экологии.

Помните, что изменение образа жизни является только первым шагом. Если вы хотите бороться с выбросами парниковых газов на глобальном уровне, необходимо предпринимать меры, чтобы заставить транснациональные корпорации сократить выбросы. Исследования показывают, что только 90 компаний несут ответственность за две трети выбросов парниковых газов. Ищите способы глобальной борьбы с парниковым эффектом.