Какие загрязнители приводят к образованию парникового эффекта. Парниковый эффект — глобальная проблема планеты
Парниковый эффект – способность (газов в атмосфере) в большей степени пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию по сравнению с тепловым излучением, испускаемым нагретой Солнцем Землей. В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна плюс 15°С, а без парникового эффекта она была бы минус 18°! Парниковый эффект – один из механизмов жизнеобеспечения на Земле.
Деятельность человека за последние 200 лет, и в особенности после 1950 г., привели к продолжающемуся и в настоящее время повышению концентрации в атмосфере газов, обладающих парниковым эффектом. Неизбежно последовавшая за этим реакция атмосферы заключается в антропогенном усилении естественного парникового эффекта. Суммарное антропогенное усиление парникового эффекта +2,45 ватт/м2 (Международный Комитет по изменению климата IPCC).
Парниковый эффект каждого из таких газов зависит от трех основных факторов:
а) ожидаемого парникового эффекта на протяжении ближайших десятилетий или веков (например, 20, 100 или 500 лет), вызываемого единичным объемом газа, уже поступившим в атмосферу, по сравнению с эффектом от углекислого газа, принимаемым за единицу;
б) типичной продолжительности его пребывания в атмосфере, и
в) объема эмиссии газа.
Комбинация первых двух факторов носит название “Относительный парниковый потенциал” и выражается в единицах от потенциала СО2.
Газы с парниковым эффектом:
Роль водяного пара , содержащегося в атмосфере, в общемировом парниковом эффекте велика, но трудно определима однозначно. При потеплении климата содержание водяного пара в атмосфере будет увеличиваться, тем самым усиливая парниковый эффект.
Диоксид углерода, или углекислый газ (СО2) (64% в парниковом эффекте), отличается, по
сравнению с другими парниковыми газами, относительно низким потенциалом парникового эффекта, но довольно значительной продолжительностью существования в атмосфере – 50–200 лет и сравнительно высокой концентрацией. Концентрация углекислого газа в атмосфере в период с 1000 по 1800 гг. составляла 270–290 частей на миллион по объему (ppmv), а к 1994 г. она достигла 358 ppmv и продолжает расти. Может достигнуть 500 ppmv к концу XXI века. Стабилизация концентрации может быть достигнута посредством значительного сокращения объема выбросов. Основной источник поступления углекислого газа в атмосферу – сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии.
Источники СО2
(1) Поступление в атмосферу вследствие сжигания горючих ископаемых и производства цемента 5,5±0,5
(2) Поступление в атмосферу вследствие трансформации ландшафтов в тропической и экваториальной зонах, деградация почв 1,6±1,0
Поглощение различными резервуарами
(3) Аккумуляция в атмосфере 3,3±0,2
(4) Аккумуляция Мировым океаном 2,0±0,8
(5) Аккумуляция в биомассе Северного полушария 0,5±0,5
(6) Остаточный член баланса , объясняемый поглощением СО2 экосистемами суши (фертилизация и др.) = (1+2)-(3+4+5)=1,3±1,5
Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере должно стимулировать процесс фотосинтеза. Это так называемая фертилизация, благодаря которой, по некоторым оценкам, продукция органического вещества может возрасти на 20–40 % при удвоенной по сравнению с современной концентрацией углекислого газа.
Метан (СН4) - 19 % от общей его величины парниковых газов (на 1995 г.). Метан образуется в анаэробных условиях, таких как естественные болота разного типа, толща сезонной и вечной мерзлоты, рисовые плантации, свалки, а также в результате жизнедеятельности жвачных животных и термитов. Оценки показывают, что около 20% суммарной эмиссии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного
газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60–80 % суммарной эмиссии метана в атмосферу. В атмосфере метан неустойчив. Он удаляется из нее вследствие взаимодействия с ионом гидроксила (ОН) в тропосфере. Несмотря на этот процесс, концентрация метана в атмосфере увеличилась примерно вдвое по сравнению с доиндустриальным временем и продолжает расти со скоростью около 0,8 % в год.
Рост температуры и увеличение увлажненности (то есть продолжительности нахождения территории в анаэробных условиях) еще более усиливают эмиссию метана. Это характер-
ный пример положительной обратной связи. Наоборот, снижение уровня грунтовых вод из-за пониженной увлажненности должно приводить к уменьшению эмиссии метана (отрицательная обратная связь).
Текущая роль оксида азота (N2O) в суммарном парниковом эффекте составляет всего около 6%. Концентрация оксида азота в атмосфере также увеличивается. Предполагается, что его антропогенные источники приблизительно вдвое меньше естественных. Источниками антропогенного оксида азота является сельское хозяйство (в особенности пастбища в тропиках), сжигание биомассы и промышленность, производящая азотсодержащие вещества. Его относительный парниковый потенциал (в 290 раз
выше потенциала углекислого газа) и типичная продолжительность существования в атмосфере (120 лет) значительны, компенсируя его невысокую концентрацию.
Хлорфторуглероды (ХФУ) – это вещества, синтезируемые человеком, и содержащие хлор, фтор и бром. Они обладают очень сильным относительным парниковым потенциалом и значительной продолжительностью жизни в атмосфере. Их итоговая роль в парниковом эффекте составляет 7%. Производство хлорфторуглеродов в мире в настоящее время контролируется международными соглашениями по защите озонового слоя, включающими и положение о постепенном снижении производства этих веществ, замене их на менее озонразрушающие с последующим полным его прекращением. В результате концентрация ХФУ в атмосфере начала сокращаться.
Озон (О3) – важный парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Он влияет как на коротковолновую, так и на длинноволновую радиацию, и потому итоговые направление и величина его вклада в радиационный баланс в сильной степени зависят от вертикального распределения содержания озона, в особенности на уровне тропопаузы. Оценки указывают на положительную результирующую +0,4 ватт/м2.
Механизм парникового эффекта заключается в следующем. Солнечные лучи, достигая Земли, поглощаются поверхностью почвы, растительностью, водной поверхностью и др. Нагретые поверхности отдают тепловую энергию снова в атмосферу, но уже в виде длинноволнового излучения.
Атмосферные газы (кислород, азот, аргон) не поглощают тепловое излучение с земной поверхности, а рассеивают его. Однако в результате сжигания горючих ископаемых и других производственных процессов в атмосфере накапливаются: углекислый газ, угарный газ, различные углеводороды (метан, этан, пропан и др.), которые не рассеивают, а поглощают тепловое излучение, идущее от поверхности Земли. Возникающий таким образом экран и приводит к появлению парникового эффекта — глобального потепления.
Кроме парникового эффекта наличие указанных газов обусловливает образование так называемого фотохимического смога. При этом в результате фотохимических реакций углеводороды образуют весьма токсичные продукты — альдегиды и кетоны.
Глобальное потепление является одним из наиболее значимых последствий антропогенного загрязнения биосферы. Оно проявляется как в изменении климата, так и биоты: продукционного процесса в экосистемах, сдвига границ растительных формаций, изменения урожайности сельскохозяйственных культур. Особенно сильные изменения могут коснуться высоких и средних широт. По прогнозам именно здесь наиболее заметно повысится температура атмосферы. Природа этих регионов особенно восприимчива к различным воздействиям и крайне медленно восстанавливается.
В результате потепления зона тайги сдвинется к северу примерно на 100-200 км. Подъем уровня океана за счет потепления (таяния льдов и ледников) может составить до 0,2 м, что приведет к затоплению устьев крупных, особенно сибирских рек.
На проходившей в Риме в 1996 г. очередной конференции стран — участниц Конвенции по предотвращению климатических изменений ешс раз была подтверждена необходимость скоординированных международных действий для решения этой проблемы. В соответствии с Конвенцией индустриально развитые страны и страны с переходной экономикой приняли на себя обязательства стабилизировать производство парниковых газов. Страны, входящие в Европейский союз, включили в свои национальные программы положения о сокращении выбросов углекислого газа на 20% к 2005 г.
В 1997 г. было подписано Киотское (Япония) соглашение, по которому развитые страны обязались к 2000 г. стабилизировать выбросы парниковых газов на уровне 1990 г.
Однако после этого выбросы парниковых газов даже возросли. Этому способствовал выход США из Киотского соглашения 2001 г. Тем самым реализация этого соглашения была поставлена под угрозу срыва, так как нарушалась квота, необходимая для вступления в силу этого соглашения.
В России, в связи с общим падением производства, выброс парниковых газов в 2000 г. составлял 80% от уровня 1990 г. Поэтому Россия в 2004 г. ратифицировала Киотское соглашение, придав ему юридический статус. Сейчас (2012 г.) это соглашение действует, к нему присоединяются и другие государства (например, Австралия), но все же решения Киотского соглашения остаются невыполненными. Однако борьба за выполнение Киотского соглашения продолжается.
Одним из самых известных борцов с глобальным потеплением климата является бывший вице-президент США А. Гор . После поражения на президентских выборах 2000 года он посвящает себя бою с глобальным потеплением. «Спасайте мир, пока не поздно!» — вот его лозунг. Вооруженный набором слайдов он объездил весь мир, разъясняя научную и политическую стороны глобального потепления, возможные серьезные последствия в ближайшем будущем, если не ограничить рост выброса в атмосферу углекислого газа, вызванного деятельностью человека.
А. Гор написал широко известную книгу «Неудобная правда. Глобальное потепление, как остановить планетарную катастрофу». В ней он убежденно и справедливо пишет: «Иногда кажется, что наш климатический кризис протекает медленно, но на самом деле он происходит очень быстро, став воистину планетарной опасностью. И для победы над угрозой мы сначала должны признать факт ее существования. Почему наши лидеры, как нам кажется, не слышат таких громких предупреждений об опасности? Они сопротивляются правде, потому что в момент признания окажутся перед своим моральным долгом — действовать. Просто гораздо удобней игнорировать предупреждение об опасности? Возможно, но неудобная правда не исчезает только потому, что она не замечена».
В 2006 г. за книгу он был награжден американской литературной премией. По книге был создан документальный фильм «Неудобная правда» с А. Гором в главной роли. Фильм в 2007 г. получил Оскар и попал в рубрику «Это должен знать каждый». В том же году А. Гору (вместе с группой экспертов МГЭИК) была присуждена Нобелевская премия мира за работу по защите окружающей среды и исследованиям по проблемам изменения климата.
В настоящее время А. Гор также активно продолжает борьбу с глобальным потеплением, являясь внештатным консультантом Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), созданной Всемирной метеорологической организацией (ВМО) и Программой ООН по окружающей среде (ЮНЭП).
Глобальное потепление и парниковый эффект
Еще в 1827 г. французский физик Ж. Фурье предположил, что атмосфера Земли выполняет функцию стекла в теплице: воздух пропускает солнечное тепло, но не дает ему испариться обратно в космос. И он был прав. Этот эффект достигается благодаря некоторым атмосферным газам, например водяным испарениям и углекислому газу. Они пропускают видимый и «ближний» инфракрасный свет, излучаемый Солнцем, но поглощают «далекое» инфракрасное излучение, образующееся при нагревании земной поверхности солнечными лучами и имеющее более низкую частоту (рис. 12).
В 1909 г. шведский химик С. Аррениус впервые подчеркнул огромную роль углекислого газа как регулятора температуры приповерхностных слоев воздуха. Углекислота свободно пропускает солнечные лучи к земной поверхности, но поглощает большую часть теплового излучения Земли. Это своего рода колоссальный экран, препятствующий охлаждению нашей планеты.
Температура поверхности Земли неуклонно повышается, увеличившись за XX ст. на 0,6 °С. В 1969 г. она составляла 13,99 °С, в 2000 г. — 14,43 °С. Таким образом, средняя температура Земли в настоящее время составляет около 15 °С. При данной температуре поверхность планеты и атмосфера находятся в тепловом равновесии. Нагреваясь энергией Солнца и инфракрасным излучением атмосферы, поверхность Земли возвращает в атмосферу в среднем эквивалентное количество энергии. Это энергия испарения, конвекции, теплопроводности и инфракрасного излучения.
Рис. 12. Схематичное изображение парникового эффекта, обусловленного присутствием углекислого газа в атмосфере
В последнее время деятельность человека привносит дисбаланс в соотношение поглощаемой и выделяемой энергии. До вмешательства человека в глобальные процессы на планете изменения, происходящие на ее поверхности и в атмосфере, были связаны с содержанием в природе газов, которые с легкой руки ученых были названы «парниковыми». К таким газам относятся диоксид углерода, метан, оксид азота и водяной пар (рис. 13). Сейчас к ним добавились антропогенные хлорфторуглероды (ХФУ). Без газового «одеяла», окутывающего Землю, температура на ее поверхности была бы на 30-40 градусов ниже. Существование живых организмов в таком случае было бы весьма проблематичным.
Парниковые газы временно удерживают тепло в нашей атмосфере, благодаря чему создается так называемый парниковый эффект. В результате техногенной деятельности человека некоторые парниковые газы увеличивают долю своего участия в общем балансе атмосферы. Это касается прежде всего углекислого газа, содержание которого из десятилетия в десятилетие неуклонно растет. Углекислый газ создает 50 % парникового эффекта, на долю ХФУ приходится 15-20 %, на долю метана — 18 %.
Рис. 13. Доля содержания антропогенных газов в атмосфере при парниковом эффекте азота 6 %
В первой половине XX в. содержание углекислого газа в атмосфере оценивалось в 0,03 %. В 1956 г. в рамках первого Международного геофизического года ученые провели специальные исследования. Приведенная цифра была уточнена и составила 0,028 %. В 1985 г. измерения были проведены снова, и оказалось, что количество углекислого газа в атмосфере возросло до 0,034 %. Таким образом, увеличение содержания в атмосфере углекислого газа — доказанный факт.
За последние 200 лет в результате антропогенной деятельности содержание оксида углерода в атмосфере возросло на 25 %. Связано это, с одной стороны, с интенсивным сжиганием ископаемого топлива: газа, нефти, сланцев, угля и др., а с другой — с ежегодным уменьшением площадей лесов, которые являются основными поглотителями углекислого газа. К тому же развитие таких отраслей сельского хозяйства, как рисоводство и животноводство, а также рост площадей городских свалок приводят к увеличению выделения метана, оксида азота и некоторых других газов.
Вторым по значению «парниковым» газом является метан. Его содержание в атмосфере ежегодно увеличивается на I %. Наиболее значимые поставщики метана — свалки, крупный рогатый скот, рисовые поля. Запасы газа на свалках крупных городов можно рассматривать как небольшие газовые месторождения. Что касается рисовых полей, то, как выяснилось, несмотря на большой выход метана, в атмосферу его поступает относительно мало, поскольку большая часть расщепляется бактериями, связанными с корневой системой риса. Так что на поступление метана в атмосферу рисовые сельскохозяйственные экосистемы оказывают в целом умеренное влияние.
Сегодня уже не остается сомнений, что тенденция к использованию преимущественно ископаемого топлива неизбежно ведет к глобальному катастрофическому изменению климата. При нынешних темпах использования угля и нефти в ближайшие 50 лет прогнозируется повышение среднегодовой температуры на планете в пределах от 1,5 °С (близ экватора) до 5 °С (в высоких широтах).
Повышение температуры в результате парникового эффекта грозит небывалыми экологическими, экономическими и социальными последствиями. Уровень воды в океанах может подняться на 1-2 м за счет морской воды и таяния полярных льдов. (Вследствие парникового эффекта уровень Мирового океана в XX в. уже поднялся на 10-20 см.) Установлено, что повышение уровня моря на 1 мм приводит к отступлению береговой линии на 1,5 м.
Если уровень моря поднимется примерно на I м (а это худший сценарий), то к 2100 г. под водой окажутся около 1 % территории Египта, 6 % территории Нидерландов, 17,5 % территории Бангладеш и 80 % атолла Маджуро, входящего в состав Маршал- ловых островов. Это станет началом трагедии для 46 млн людей. По самым пессимистическим прогнозам, повышение уровня Мирового океана в XXI в. может повлечь за собой исчезновение с карты мира таких стран, как Голландия, Пакистан и Израиль, затопление большей части Японии и некоторых других островных государств. Под воду могут уйти Санкт-Петербург, Нью-Йорк и Вашинггон. В то время как одни участки суши рискуют оказаться на дне моря, другие будут страдать от жесточайшей засухи. Исчезновение грозит Азовскому и Аральскому морям и многим рекам. Увеличится площадь пустынь.
Группой шведских климатологов установлено, что с 1978 по 1995 г. площадь плавучих льдов в Северном Ледовитом океане сократилась примерно на 610 тыс. км 2 , т.е. на 5,7 %. Одновременно выяснилось, что через пролив Фрам, отделяющий архипелаг Свальбард (Шпицберген) от Гренландии, ежегодно со средней скоростью около 15 см/с в открытую Атлантику выносится до 2600 км 3 плавучего льда (что примерно в 15-20 раз больше стока такой реки, как Конго).
В июле 2002 г. с маленького островного государства Тувалу, расположенного на девяти атоллах в южной части Тихого океана (26 км 2 , 11,5 тыс. жителей), раздался призыв о помощи. Тувалу медленно, но верно уходит под воду — самая высокая точка в государстве возвышается над уровнем океана всего на 5 м. В начале 2004 г. электронные средства массовой информации распространили заявление о том, что ожидаемые высокие приливные волны, связанные с новолунием, могут на некоторое время поднять уровень моря в этом районе более чем на 3 м, что обусловлено повышением уровня океана вследствие глобального потепления. Если эта тенденция сохранится, крошечное государство будет смыто с лица Земли. Правительство Тувалу принимает меры по переселению граждан в соседнее государство Ниуэ.
Повышение температуры вызовет понижение влажности почвы во многих регионах Земли. Засухи и тайфуны станут привычным явлением. Ледовый покров Арктики сократится на 15 %. В наступившем столетии в Северном полушарии ледовое покрытие рек и озер будет держаться на 2 недели меньше, чем в XX в. Растают льды в горах Южной Америки, Африки, Китая и Тибета.
Глобальное потепление отразится и на состоянии лесов планеты. Лесная растительность, как известно, может существовать в очень узких пределах температуры и влажности. Большая часть ее может погибнуть, сложная экологическая система окажется на стадии разрушения, а это повлечет за собой катастрофическое уменьшение генетического разнообразия растений. В результате всемирного потепления на Земле уже во второй половине XXI в. может исчезнуть от четверти до половины видов сухопутной флоры и фауны. Даже при максимально благоприятных условиях к середине века непосредственная угроза вымирания нависнет почти над 10 % видов сухопутных животных и растений.
Исследования показали: чтобы избежать глобальной катастрофы, необходимо уменьшить выбросы углерода в атмосферу до 2 млрд т в год (одна треть нынешнего объема). Учитывая естественный прирост населения, к 2030-2050 гг. на душу населения должно выбрасываться не более 1/8 объема углерода, приходящегося сегодня в среднем на одного жителя Европы.
Средняя температура поверхности Земли (или другой планеты) повышается за счет наличия у нее атмосферы.
Садоводы хорошо знакомы с этим физическим явлением. Внутри парника всегда теплее, чем снаружи, и это помогает выращивать растения, особенно в холодное время года. Вы можете почувствовать аналогичный эффект, когда находитесь в автомобиле. Причина его состоит в том, что Солнце с температурой поверхности около 5000°С излучает главным образом видимый свет — часть электромагнитного спектра , к которой чувствительны наши глаза. Поскольку атмосфера в значительной степени прозрачна для видимого света, солнечное излучение легко проникает к поверхности Земли. Стекло также прозрачно для видимого света, так что солнечные лучи проходят внутрь парника, и их энергия поглощается растениями и всеми объектами, находящимися внутри. Далее, согласно закону Стефана—Больцмана , каждый объект излучает энергию в какой-либо части электромагнитного спектра. Объекты с температурой около 15°С — средней температурой у поверхности Земли — излучают энергию в инфракрасном диапазоне. Таким образом, объекты в парнике испускают инфракрасное излучение. Однако инфракрасное излучение не может легко проходить сквозь стекло, поэтому температура внутри парника повышается.
Планета с устойчивой атмосферой, такая как Земля, испытывает практически такой же эффект — в глобальном масштабе. Чтобы поддерживать постоянную температуру, Земле необходимо самой излучать столько же энергии, сколько она поглощает из видимого света, излучаемого в нашу сторону Солнцем. Атмосфера служит как бы стеклом в парнике — она не столь прозрачна для инфракрасного излучения, как для солнечного света. Молекулы различных веществ в атмосфере (важнейшие из них — углекислый газ и вода) поглощают инфракрасное излучение, действуя как парниковые газы . Таким образом, инфракрасные фотоны, излучаемые земной поверхностью, не всегда уходят прямо в космос. Некоторые из них поглощаются молекулами парниковых газов в атмосфере. Когда эти молекулы вторично излучают энергию, которую они поглотили, они могут излучать ее как в сторону космоса, так и внутрь, обратно к поверхности Земли. Присутствие таких газов в атмосфере создает эффект укрывания Земли одеялом. Они не могут прекратить утечку тепла наружу, но позволяют сохранить тепло около поверхности более долгое время, поэтому поверхность Земли значительно теплее, чем была бы в отсутствие газов. Без атмосферы средняя температура поверхности составляла бы —20°С, что намного ниже точки замерзания воды.
Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли, и высшие формы жизни не появились бы. В настоящее время научные дебаты о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления : не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу? Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов.
Парниковый эффект имеет место не только на Земле. В действительности самый сильный парниковый эффект, о котором мы знаем, — на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что мы избежали такой участи благодаря наличию на Земле океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк — посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате мы наблюдаем на Венере неуправляемый парниковый эффект.
Понятие «парниковый эффект» хорошо известно всем садоводам и огородникам. Внутри парника температура воздуха выше, чем на открытом воздухе, что дает возможность выращивать овощи и фрукты даже в холодное время года.
Похожие явления происходят и в атмосфере нашей планеты, однако имеют более глобальные масштабы. Что же такое парниковый эффект на Земле и какие последствия может иметь его усиление?
Что такое парниковый эффект?
Парниковый эффект – это рост среднегодовой температуры воздуха на планете, происходящий за счет смены оптических свойств атмосферы. Легче понять суть этого явления можно на примере обычного парника, который имеется на любом приусадебном участке.
Представьте себе, что атмосфера – это стеклянные стены и крыша теплицы. Как и стекло, она с легкостью пропускает сквозь себя солнечные лучи и задерживает излучение тепла от земли, не давая ему уходить в космос. В результате тепло остается над поверхностью и нагревает приземные слои атмосферы.
Почему возникает парниковый эффект?
Причина появления парникового эффекта заключается в разнице между излучениями, и земной поверхности. Солнце с его температурой 5778 °С дает преимущественно видимый свет, весьма чувствительный для наших глаз. Поскольку воздух способен пропускать этот свет, солнечные лучи с легкостью проходят сквозь него и нагревают земную оболочку. Предметы и объекты у поверхности имеют среднюю температуру около +14…+15 °С, поэтому излучают энергию в инфракрасном диапазоне, не способную проходить через атмосферу в полном объеме.
Впервые подобный эффект был смоделирован физиком Филиппом де Соссюром, который выставил на солнце накрытый стеклянной крышкой сосуд, а после измерил разницу температур внутри него и снаружи. Внутри воздух оказался теплее, будто сосуд получил извне солнечную энергию. В 1827 году физик Жозеф Фурье высказал предположение, что такой эффект может происходить и с атмосферой Земли, оказывая влияние на климат.
Именно он сделал вывод, что температура в «парнике» повышается за счет различной прозрачности стекла в инфракрасном и видимом диапазоне, а также благодаря предотвращению стеклом оттока теплого воздуха.
Как парниковый эффект влияет на климат планеты?
При неизменных потоках солнечной радиации климатические условия и среднегодовая температура на нашей планете зависят от ее теплового баланса, а также от химического состава и температуры воздуха. Чем выше уровень парниковых газов у поверхности (озона, метана, диоксида углерода, водяного пара), тем выше вероятность усиления парникового эффекта и, соответственно, глобального потепления. В свою очередь уменьшение концентрации газов ведет к снижению температуры и появлению ледяного покрова в полярных районах.
Благодаря отражательной способности земной поверхности (альбедо) климат на нашей планете не раз переходил от стадии потепления к стадии похолодания, поэтому сам по себе парниковый эффект особой проблемы не представляет. Однако в последние годы в результате загрязнения атмосферы выхлопными газами, выбросами ТЭЦ и различных заводов на Земле наблюдается увеличение концентрации углекислого газа, что может привести к глобальному потеплению и негативным последствиям для всего человечества.
Какие последствия парникового эффекта?
Если за последние 500 тысяч лет концентрация диоксида углерода на планете никогда не превышала 300 промилле, то в 2004 году этот показатель составил 379 промилле. Чем грозит это нашей Земле? Прежде всего, ростом окружающей температуры и катаклизмами глобальных масштабов.
Таяние ледников может значительно повысить уровень мирового океана и вызвать тем самым затопление прибрежных районов. Считается, что через 50 лет после усиления парникового эффекта на географической карте может не остаться большинства островов, все морские курорты на материках исчезнут под толщей океанской воды.
Потепление на полюсах способно изменить распределение осадков по всей территории земли: в одних районах их число увеличится, в других уменьшится и приведет к засухе и опустыниванию. Негативным последствием роста концентрации парниковых газов выступает также разрушение ими озонового слоя, что уменьшит защиту поверхности планеты от ультрафиолетовых лучей и приведет к разрушению ДНК и молекул в человеческом организме.
Расширение озоновых дыр к тому же чревато потерей многих микроорганизмов, в частности, морского фитопланктона, что может оказать существенное влияние на животных, которые им питаются.
Парниковый эффект – явление при котором поступающее на Землю солнечное тепло задерживается у поверхности Земли так называемыми парниковыми или оранжерейными газами. К числу этих газов относятся известные нам углекислый газ и метан, содержание которых в атмосфере неуклонно увеличивается. Этому способствует прежде всего не только сжигание гигантских объемов топлива, но и ряд других факторов среди которых сведение лесов, выбросы в атмосферу фреонов, неправильное ведение сельского хозяйства и перевыпас скота. Особенно опасно и нежелательно сведение лесов. Оно приведет не только к водной и ветровой эрозии, нарушив тем самым почвенный покров, но и продолжит невозобновимую убыль органического вещества биосферы, того самого что поглощает углекислый газ из атмосферы. Нельзя не отметить и тот факт что как минимум 25 % содержащегося в атмосфере этого газа обязано своим наличием именно неоправданным вырубкам леса в северном и южных поясах. Еще больше тревожат данные согласно которым сведение лесов и сжигание топлива по выбросам углекислого газа уравновешивают друг друга. Страдают леса и из – за чрезмерного использования их для отдыха и рекреации. Зачастую пребывание туристов приводит в таких случаях к механическому повреждению деревьев их последующей болезни и гибели. Массовое посещение же способствует вытаптыванию почвы и нижних ярусов растительности.
Весьма ощутимо вырождение лесов при значительном загрязнении воздуха. Летучая зола, угольная и коксовая пыль закупоривают поры листьев, уменьшают доступ света к растениям и ослабляют процесс ассимиляции. Загрязнение почвы выбросами пыли металлов, мышьяковой пылью в соединении с суперфосфатом или серной кислотой отравляет корневую систему растений, задерживая ее рост. Токсичен для растений и сернистый ангидрит. Полностью уничтожается растительность под воздействием дымов и газов медеплавильных комбинатов в непосредственной близости от них. Ущерб растительному покрову, и в первую очередь лесам, наносится при выпадении кислых осадков в результате разноса соединений серы на сотни и тысячи километров. Региональное деструктивное воздействие на лесные почвы оказывают кислые осадки. Ощутимое уменьшение биомассы лесов происходит, по-видимому, и из-за пожаров. Конечно для растений свойственен процесс фотосинтеза в ходе которого растения усваивают двуокись углерода, служащей им биомассой, но в последнее время уровень загрязнении возрос настолько что растения уже не справляются с ним. По оценкам ученых за год вся растительность суши улавливает из атмосферы 20 – 30 млрд. тонн С в форме его двуокиси, причем только одна Амазония поглощает до 6 млрд. тонн вредных примесей атмосферы. Важную роль в усвоении углекислого газа принадлежит водорослям.
Еще одной проблемой современного динамично развивающегося мира является неправильное ведение сельского хозяйства, использующего в ряде случаев еще не изжитую в приэкваториальных районах подсечно – огневую систему и перевыпас скота приводящий все к тому же уплотнению почв. Традиционным является и проблема сжигания топлива и выброса опасных промышленных газов таких как фреоны.
История исследования парникового эффекта
Интересную точку зрения выдвинул советский климатолог Н. И. Будыко в 1962 году. По его расчетам прогнозируется увеличение концентрации атмосферного СО 2 в 2000 г. до 380 частей на миллион, в 2025 г. - до 520 и в 2050г. - до 750. Среднегодовая приземная глобальная температура воздуха увеличится, по его мнению, по сравнению с ее значением в начале ХХ в. на 0,9 градусов по Цельсию в 2000 г., на 1,8 градусов в 2025 г. и на 2,8 градусов в 2050 г. То есть оледенения нам ждать не следует.
Однако изучать парниковый эффект начали гораздо раньше. Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли, при этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).
При рассмотрении влияния атмосферы на радиационный баланс Фурье проанализировал опыт М. де Соссюра с зачернённым изнутри сосудом, накрытым стеклом. Де Соссюр измерял разность температур внутри и снаружи такого сосуда, выставленного на прямой солнечный свет. Фурье объяснил повышение температуры внутри такого «мини-парника» по сравнению с внешней температурой действием двух факторов: блокированием конвективного теплопереноса (стекло предотвращает отток нагретого воздуха изнутри и приток прохладного снаружи) и различной прозрачностью стекла в видимом и инфракрасном диапазоне.
Именно последний фактор и получил в позднейшей литературе название парникового эффекта - поглощая видимый свет, поверхность нагревается и испускает тепловые (инфракрасные) лучи; поскольку стекло прозрачно для видимого света и почти непрозрачно для теплового излучения, то накопление тепла ведёт к такому росту температуры, при котором количество проходящих через стекло тепловых лучей достаточно для установления теплового равновесия.
Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в инфракрасном диапазоне ниже, чем прозрачность в диапазоне оптическом.
Известны и выводы других геофизиков таких как В. И. Лебедев. Он считает что увеличение концентрации СО 2 в воздухе вообще не должно сказаться на земном климате, тогда как продуктивность наземной растительности, и в частности зерновых, будет повышаться.
Физик Б. М. Смирнов также указывает на возможность увеличения урожаев. В связи с этим накопление углекислого газа в атмосфере им рассматривается как фактор, благоприятный для человечества.
Иной точки зрения придерживается так называемый Римский Клуб, основанный в 1968 году и американцы пришедшие к выводу о наличии постепенному увеличению количества парниковых газов в атмосфере. Интересны мнения ряда ученых о цикличности климат, мол бывают века «теплые» и «холодные». Нельзя сказать что они не правы ведь каждый прав по – своему. То есть в современной климатологии мы отчетливо прослеживаем 3 направления:
Оптимистическое
Пессимистическое
Нейтральное
Причины возникновения парникового эффекта
В современном балансе потребления органического вещества 45 % в нашей стране принадлежит природному газу по запасам которого мы занимаем 1 место в мире. Его преимущество в отличие от другого органического топлива (мазут, уголь, нефть и др.) очевидно: он имеет более низкий коэффициент выброса углекислого газа. В мировом топливном балансе природный газ занимает куда более скромную роль – всего лишь 25 %. В настоящее время концентрация углекислого газа в атмосфере составляет 0,032% (в городах - 0,034%). Медики утверждают, что для здоровья человека концентрация СО 2 в воздухе безвредна до уровня 1%, т.е. человечество имеет еще достаточно времени для решения этой проблемы. Интересны данные института РАН. Так в ежегодных докладах по проблемам загрязнения атмосферы приводятся данные о том что Россия выдыхает 3,12 млрд. тонн углекислого газа причем на одного человека приходится 1,84 кг/ сутки. Львиную долю углекислого газа выбрасывает автомобиль. К этому добавляются 500 млн.тонн от лесных пожаров, но в целом в России уровень загрязнения на порядок ниже чем в зарубежных странах, таких как США. Но проблема не завязывается только на одном углекислом газе. К газам создающим парниковый эффект относятся и ряд других таких как метан, поэтому очень важно уметь определить его реальные потери при добыче, транспортировке по трубопроводам, распределении в крупных городах и населенных пунктах, использовании на тепловых и электростанциях. Следует отметить что его концентрация долго оставалась неизменной, а с 19 – 20 века стала стремительно расти.
По подсчетам ученых, количество кислорода в атмосфере ежегодно уменьшается более чем на 10 млн. тонн. Если и впредь будет продолжаться его расходование в таких размерах, то две трети суммарного количества свободного кислорода атмосферы и гидросферы будут исчерпаны за 100 с небольшим тысяч лет. Соответственно содержание углекислого газа в атмосфере достигнет чрезмерной концентрации.
По данным исследований российских, французских, американских ученых совокупный уровень этих газов достиг своего исторического максимума за последние 420 тыс. лет, обогнав даже выбросы естественного происхождения, к которым можно отнести вулканизм, выделение гидратов с дна океанов. Доказательством этому служат данные с «полюса холода» российской антарктической станции Восток, где полярники добыли ледниковый керн мощностью 2547 м, наглядно демонстрирующий это или аналогичные данные с ледникового Тибета – одного из высочайших мест нашей планеты.
Надо сказать что природный парниковый эффект был всегда характерен для Земли. Именно с ним и связана вековая да и не только цикличность климата. Ряд ученых также предполагают что они вызваны изменением орбиты Земли по отношению к Солнцу, но несостоятельность этой теории видна налицо. Ежегодно наша планета проходит 2 точки перигелий и афелий, приводящие к изменению орбиты планеты. Тем не менее сколь либо существенных изменений, за исключением смены времен года, характерных и для других планет земной группы таких как Марс не происходит. Масштабные же изменения происходят крайне редко, поэтому говорить о превуалирующей роли этого фактора не приходится.
С конца 19 века ведется непрерывный спор между экоцентристами, считающими что сбой в цикличности произошел с началом индустриализации и антропоцентристами, считающими что на данный процесс влияет не только хозяйственная деятельность человека. Здесь прежде всего надо отметить дифференциацию выбросов. Ведь даже США выбрасывают всего 20 % от общемирового уровня, а выбросы стран «третьего мира» к которым после 1991 года можно отнести и Россию не превышают 10 %.
Но даже оставаясь в стороне от этого спора очевидность потепления климата становится очевидной. Подтверждением этому служит простой факт. Еще в 1973 году в СССР на 7 ноября – день Великой Октябрьской Социалистической Революции перед колонной демонстрантов шла снегоуборочная техника, сейчас же снега нет и в начале декабря и даже в январе! Продолжая эту тему ученые – географы уже занесли 1990, 1995, 1997 и последние 2 года в «список самых теплых» за последние 600 лет. Да и в целом 20 век несмотря на ряд издержек признан «наитеплейшим» за 1200 лет!
Однако видимо так устроен человек – единственное существо на Земле в прямом смысле слова «пилящее под собой дерево на котором сидит». Это я к тому что вышеперечисленные сведения, открытые в Америке заставляют как минимум задуматься, но в тоже время на юго–востоке этой страны (штат Флорида) идет осушение болот под строительство престижных домов и плантаций сахарного тростника.
Возможные последствия от парникового эффекта
Природа никогда не прощает ошибки. Изменения климата от парникового эффекта могут достичь, а в ряде случаев и превзойти самые смелые ожидания. В этом контексте наиболее опасным и настораживающем выглядит таяние полярных шапок ледников, в результате общего повышения температуры на 5 градусов. Как следствие начнутся цепные реакции сродни «эффекту домино». Таяние ледников приведет в первую очередь к повышению уровня Мирового океана в лучшем случае на 5 – 7 метров, а в перспективе даже до 60 метров. Исчезнут целые страны, в частности низменные такие как Бангладеш, Дания, Нидерланды, многие портовые города по всему миру такие как Роттердам, Нью – Йорк. Все это приведет ко второму «великому переселению народов» теперь уже из низменных зон, в которых по расчетам ООН проживает около миллиарда человек. Более того если последние 250-300 лет уровень Мирового океана повышался в среднем на 1 мм в год, то в 20-х годах ХХ в. подъем его достиг 1,4-1,5 мм в год, что эквивалентно ежегодному увеличению океанической водной массы на 520-540 куб. км. Предполагается, что в 20-х годах XXI в. скорость повышения океанического уровня превысит 0,5 см в год. Увеличение массы воды скажется на сейсмичности в разных районах планеты. К 2030 году как течение исчезнет Гольфстрим. Следствием этому станет снижение контрастности между Севером и Югом.
Изменятся и другие существующие ныне экосистемы. В частности в связи с изменением сплюснутости планеты в Африке и в Азии упадут урожаи, повысится риск катастрофических наводнений в Европе, на восточном побережье США, где кроме того произойдет эрозия берегов. Так в Великобритании произойдет ряд катастрофически радикальных изменений климата среди которых многократное увеличение повторяемости жаркого и засушливого лета, подобного лету 1995 года. Два таких лета подряд приведет к засухе, неурожаю и голоду. С карты Франции исчезнут Аквитания, Гасконь, Нормандия. На месте Парижа будет океан. Дамоклов меч навис над Венецией. Жестокие засухи охватят Австралию, штаты Техас, Калифорния, многострадальную Флориду. Там где дожди были большой редкостью они станут еще реже, в других более влажных районах количество осадков еще больше увеличится. Увеличатся среднегодовые температуры в Алжире, исчезнут ледники Кавказа, Альп, а в Гималаях и Андах они сократятся на 1/5, исчезнет многолетняя мерзлота в России, подставив под сомнение существование северных городов. Кардинально изменится Сибирь. Исчезнут долины многих рек таких как Рио–Гранде, Магдалена, Амазонка, Парана. Утратит свое значение Панамский канал. Так, если согласится с расчетами некоторых ученых, то уже к концу первой четверти ХХI в. в результате потепления, вызванного увеличением концентрации СО 2 в атмосфере, климат Москвы будет подобен современному климату влажного Закавказья.
Произойдет перестройка всей системы циркуляции атмосферы с соответствующими изменениями термического режима и увлажнения. Начнется процесс переформирования географических зон с их "смещением" в более высокие широты на расстояние, достигающее 15 градусов. При этом необходимо учитывать, что атмосфера - очень динамичная система и может меняться чрезвычайно быстро; что же касается других компонентов геосферы, то они более консервативны. Так, для коренных изменений почвенного покрова необходимы сотни лет. Возможна ситуация, когда самые плодородные почвы, например черноземы, окажутся в климатических условиях пустынь, а и без того переувлажненные и заболоченные таежные земли будут получать еще больше осадков. Площади пустынь могут резко увеличиться. Ведь даже в настоящее время процессы опустынивания развиваются на 50-70 тыс. кв. км обрабатываемых площадей. Потепление приведет к увеличению числа циклонов в том числе и ураганных. Немаловажно и то что отдельные популяции животных могут просто напросто исчезнуть с лица Земли, а ряд других катастрофически сократиться. Несомненно и то, что продвижение тропического и субтропического поясов приведет к расширению ареалов обитания болезнетворных микробов и бактерий. Немалыми затратами обернется и энергетика. Все было не так плохо если бы не скорость всего происходящего. Человек не успевает приспособиться к изменившимся условиям ведь 50 веков назад когда наблюдалось схожее явление не было факторов ускоряющих его в десятки а то и сотни раз. Особенно в этом плане страдают развивающиеся страны, которые только начали создавать свое хозяйство.
А с другой стороны потепление сулит нам большие возможности о которых человек пока возможно и не догадывается. Не стоит сразу опровергать эти немногочисленные утверждения. Ведь человек по словам Вернадского «великая геологическая сила» может по –новому реорганизовать свое хозяйство для которого в свою очередь природа предоставит большие возможности. Так леса продвинутся дальше на север и покроют в частности всю Аляску, вскрытие рек в Северном полушарии будет происходить на 2 недели раньше по сравнению с аналогичным периодом 19 века. Это даст «новое дыхание» речному судоходству. Агрономы бесспорно будут не против увеличения вегетационного периода растений в Европе на 1 месяц, станет больше древесины. Имеются расчеты физиков, согласно которым при удвоении концентрации СО 2 в атмосфере температура воздуха повысится не более чем на 0,04 градусов по Цельсию. Таким образом, повышение концентрации СО 2 в таких масштабах скорее может оказаться полезным для сельскохозяйственного производства, т.к. должно сопровождаться повышением интенсивности фотосинтеза (на 2-3%).
Перелетные птицы будут прилетать раньше и задерживаться у нас дольше чем сейчас. Зимы значительно потеплеют, а лето удлинится и станет жарче, объективно сократится отопительный сезон в городах потепление в которых составит в среднем около 3 градусов. В России сельское хозяйство в перспективе может отодвинуться на север, как того хотел еще Н. С. Хрущев, но самое главное заключается в том что Россия сможет поднять эти регионы, разрушенные либеральными реформами 90-х годов, связав их в единую дорожную сеть речь идет о строительстве принципиально новой железной дороги из Якутска далее на Анадырь и в Аляску через Берингов пролив и возможном продолжении существующих таких как Трансполярная магистраль.
