Причины, современное состояние и пути решения проблемы усиления парникового эффекта. Основной парниковый газ
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 газ - это смесь нескольких прозрачных атмосферных газов, которые практически не пропускают тепловое излучение Земли. Рост их концентрации ведет к глобальным и необратимым изменениям климата. Различают несколько видов основных парниковых газов. Концентрация в атмосфере каждого из них по-своему влияет на тепловой эффект.
Основные виды
Различают несколько типов газообразных веществ, относящихся к наиболее значимым парниковым газам:
- водяные пары;
- углекислый газ;
- закись азота;
- метан;
- фреоны;
- ПФУ (перфторуглероды);
- ГФУ (гидрофторуглероды);
- SF6 (гексафторид серы).
Выявлено около 30 приводящих к парниковому эффекту. Влияние на тепловые процессы Земли вещества оказывают в зависимости от количества и силы воздействия на одну молекулу. По характеру возникновения в атмосфере парниковые газы делят на естественные и антропогенные.
Водяной пар
Распространенным парниковым газом является Его количество в атмосфере Земли превышает концентрацию диоксида углерода. Водяной пар имеет естественное происхождение: внешние факторы не способны влиять на его увеличение в окружающей среде. Регулирует количество молекул водяного испарения температура Мирового океана и воздуха.
Важная характеристика свойств водяного пара - обратная положительная связь с углекислым газом. Установлено, что парниковый эффект, спровоцированный выбросом увеличивается примерно вдвое благодаря воздействию молекул водяного испарения.
Таким образом, водяной пар как парниковый газ - это мощный катализатор антропогенного потепления климата. Рассматривать его влияние на парниковые процессы стоит только в совокупности со свойствами положительной связи с углекислым газом. Сам по себе водяной пар не приводит к таким глобальным изменениям.
Углекислый газ
Занимает ведущее место среди парниковых газов антропогенного происхождения. Установлено, что около 65% глобального потепления связано с увеличенным выбросом диоксида карбона в атмосферу Земли. Основным фактором повышения концентрации газа является, конечно же, производственно-техническая деятельность человека.
Сжигание топлива занимает первое место (86% из общего выброса углекислого газа) среди источников выделения диоксида углерода в атмосферу. К прочим причинам относят сжигание биологической массы - в основном лесных массивов - и производственные выбросы.
Углекислый парниковый газ - это наиболее эффективная движущая сила глобального потепления. После попадания в атмосферу диоксид углерода совершает большой путь через все ее слои. Время, которое требуется для выведения 65% углекислого газа из воздушной оболочки, называют эффективным периодом пребывания. Парниковые газы в атмосфере в виде диоксида углерода сохраняются на протяжении 50-200 лет. Именно высокая продолжительность присутствия углекислого газа в окружающей среде играет значительную роль в процессах парникового эффекта.
Метан
Попадает в атмосферу естественным и антропогенным способом. Несмотря на то что его концентрация гораздо ниже количества углекислого газа, действует метан как более значимый парниковый газ. 1 молекула метана оценивается в механизме парникового эффекта в 25 раз сильнее, чем молекула диоксида углерода.
В настоящее время в атмосфере содержится около 20% метана (из 100% парниковых газов). Искусственным путем метан попадает в воздух вследствие производственных выбросов. Естественным механизмом образования газа считают излишний распад органических веществ и избыточное горение лесной биомассы.
Оксид азота (I)
Закись азота рассматривают как третий по значимости парниковый газ. Это вещество, оказывающее отрицательное действие на озоновый слой. Установлено, что около 6% парникового эффекта приходится на оксид азота одновалентного. Соединение действует в 250 раз сильнее, чем углекислый газ.
Монооксид диазота появляется в атмосфере Земли естественным способом. Он имеет положительную связь с озоновым слоем: чем больше концентрация оксида, тем выше степень разрушения. С одной стороны, уменьшение озона снижает процессы парникового эффекта. В то же время радиоактивное излучение гораздо опаснее для планеты. Роль озона в процессах глобального потепления изучается, и мнения специалистов на этот счет разделяются.
ПФУ и ГФУ
Углеводороды с частичным замещением фтора в структуре молекулы - это парниковые газы антропогенного происхождения. Влияние подобных веществ на процессы глобального потепления в совокупности составляет около 6%.
ПФУ попадают в атмосферу в результате производства алюминия, электротехнических приборов и растворителей различных веществ. ГФУ представляют собой соединения, в которых водород частично замещен галогенами. Используются на производстве и в аэрозолях с целью замены разрушающих озоновый слой веществ. Имеют высокий потенциал глобального потепления, но безопаснее для атмосферы Земли.
Гексафторид серы
Используется как изоляционное вещество в электроэнергетической промышленности. Соединению свойственно долгое время сохраняться в слоях атмосферы, что обуславливает длительное и обширное поглощение инфракрасных лучей. Даже небольшое количество значительно повлияет на состояние климата в будущем.
Парниковый эффект
Процесс можно пронаблюдать не только на Земле, но и на соседней Венере. Ее атмосфера в настоящий момент состоит полностью из углекислого газа, что привело к повышению температуры на поверхности до 475 градусов. Специалисты уверены, что избежать той же участи Земле помогли океаны: частично поглощая углекислый газ, они способствуют выведению его из окружающей воздушной среды.
Выбросы парниковых газов в атмосферу закрывают доступ для тепловых лучей, что приводит к повышению температуры на Земле. Глобальное потепление чревато серьезными последствиями в виде увеличения площади Мирового океана, учащения природных катаклизмов и осадков. Под угрозой становится существование видов в прибрежных зонах и островах.
В 1997 году ООН приняла Киотский протокол, который создан для того, чтобы контролировать количество выбросов на территории каждого из государств. Экологи уверены, что полностью решить проблему глобального потепления уже не удастся, но значительно смягчить происходящие процессы остается возможным.
Методы ограничения
Выбросы парниковых газов можно снизить, соблюдая несколько правил:
- исключить неэффективное использование электроэнергии;
- повысить коэффициент полезного действия природных ресурсов;
- увеличить число лесов, вовремя предотвращать лесные пожары;
- использовать экологически чистые технологии в производстве;
- внедрять применение возобновляемых или неуглеродоводородных источников энергии.
Парниковые газы в России выбрасываются в связи с обширным производством электроэнергии, добычей полезных ископаемых и развитой промышленностью.
Основной задачей науки становится изобретение и внедрение экологически чистого вида топлива, освоение нового подхода к переработке отходных материалов. Поэтапная реформа производственных стандартов, жесткий контроль технической сферы и бережное отношение каждого к окружающей среде могут существенно снизить Глобального потепления уже не избежать, но процесс еще поддается контролю.
В связи с выходом некоторых постановлений, писем и методических указаний природопользователи задают вопросы, касающиеся расчета выбросов парниковых газов, но у контролирующих органов пока нет четких ответов. Тем не менее вопрос активно обсуждается. Начав с базовых знаний и исторической справки о парниковых газах, постараемся осветить данную тему для всех заинтересованных лиц, даже далеких от экологии.
Что такое выбросы парниковых газов и чем они опасны: история вопроса
СЛОВАРЬ
Парниковые газы — это газы высокой прозрачности в видимом диапазоне и с высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне. Присутствие таких газов вызывает парниковый эффект — повышение температуры нижних слоев атмосферы планеты.
Для Земли первоочередное значение имеют водяной пар и углекислый газ. Увеличение количества углекислого газа за счет промышленных выбросов в атмосферу приводит к повышению приповерхностных температур, что согласно теории глобального потепления климата приводит к нарушению естественных климатических процессов.
В связи с этой опасностью необходимо снижать выбросы ПГ, и поэтому в 1997 г. было заключено соглашение в г. Киото — Киотский протокол, созданный как дополнительный документ к Рамочной конвенции ООН об изменении климата 1992 г.
В 2015 г. в г. Париже подписано новое соглашение, регулирующее меры по снижению содержания углекислого газа в атмосфере с 2020 г.
Новое соглашение Россией подписано, но не ратифицировано: летом 2016 г. бизнес-сообщество просило президента не утверждать данный документ, т.к. это плохо скажется на экономике. К тому же С. Лавров в своем выступлении на саммите глобального развития в рамках ГА ООН заявил, что Россия перевыполнила свои обязательства по достижению выбросов ПГ ниже уровня 1990 г.
Снижение выбросов парниковых газов в России: план работы
Однако на достигнутом результате мы не остановились. В нашей стране для снижения выбросов ПГ и уменьшения опасности глобального потепления в мире предпринят ряд шагов. В первую очередь разработана законодательная база по данному вопросу.
Одним из основных парниковых газов считают диоксид углерода - углекислый газ (С02). Его роль до недавнего времени слишком подчеркивалась, на его долю относили до половины общего вклада в парниковый эффект. Однако сейчас пришли к мнению, что эта оценка была завышенной.
Инструментально доказано, что в последние десятилетия ежегодное накопление С0 2 в атмосфере составляет 0,4%. С начала XX в. уровень С0 2 в атмосфере увеличился на 31%. Эта величина существенна, чтобы повысить температуру. По самому оптимистичному сценарию, температура повысится в ближайшее столетие на 1,5-2°С, а но самому пессимистичному - почти на 6°С.
Каждый год в атмосферу из антропогенных источников поступает 6 млрд т диоксида углерода, из них 3 млрд т поглощаются растительностью в процессах фотосинтеза, оставшиеся 3 млрд т накапливаются. Общая сумма накоплений по вине человека за прошедшие 100 лет составила около 170 млрд т. Приведенные данные следует рассматривать в сопоставлении со 190 млрд т углекислого газа, которые ежегодно поступают в атмосферу вследствие естественных процессов. По оценкам ряда российских ученых, вклад антропогенной деятельности в глобальное потепление составляет лишь 10-15%, а остальное приходится на долю глобальных природных циклов. Поэтому усилия человечества на пути снижения выброса парниковых газов едва ли смогут заметно замедлить грядущее потепление.
Рост концентрации С0 2 не означает гибель для биосферы. Миллионы лет назад, в каменноугольный период, концентрация С0 2 была в 10 раз выше, чем сейчас. В тот период растительность буйно развивалась, деревья достигали больших размеров. Но для человеческой популяции условия были неблагоприятными. Предельный верхний уровень содержания С0 2 в атмосфере для человека не установлен.
Существуют разные гипотезы о причинах накопления С0 2 в атмосфере. Согласно первой, наиболее распространенной точке зрения углекислый газ накапливается в атмосфере как продукт сжигания органического топлива. Вторая гипотеза основной причиной роста содержания С0 2 считает нарушение функций микробных сообществ в почвах Сибири и части Северной Америки. Независимо от выбора гипотезы накопление диоксида углерода происходит во все увеличивающихся масштабах.
Большое воздействие на климат оказывают такие парниковые газы, как метан, оксиды азота и водяной пар.
До последнего времени недооценивалась роль метана (СН 4). Он активно участвует в парниковом эффекте. Кроме того, поднимаясь на высоту 15-20 км, метан под действием солнечных лучей разлагается на водород и углерод, который, соединяясь с кислородом, образует диоксид углерода. Это еще больше усиливает парниковый эффект.
В природе СН 4 образуется в болотах при гниении органики, его еще называют болотным газом. Метан также возникает в обширных мангровых зарослях в тропических областях. Рост концентрации СН 4 происходит в мире за счет разрушения биоты. Кроме того, он поступает в атмосферу из тектонических разломов на суше и на дне океана.
Антропогенные выбросы метана связаны с разведкой и добычей полезных ископаемых, со сгоранием минерального топлива в тепловых электростанциях и органического топлива в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, его выделением на животноводческих фермах. Использование азотных удобрений, выращивание риса, свалки бытовых отходов, утечки и неполное сгорание природного газа также ведут к росту выбросов метана и оксидов азота, которые являются мощными парниковыми газами. Содержание СН 4 в атмосфере, по инструментальным данным, возрастает на 1% в год. За прошедшие 100 лет рост составил 145%.
Оксиды азота накапливаются в атмосфере за год в пределах 0,2%, а общее накопление за период интенсивного промышленного развития составило около 15%. Увеличение содержания оксидов азота обусловливается сельскохозяйственной деятельностью и массовым уничтожением лесов.
Быстрое потепление климата на Земле приводит к ускорению кругооборота воды в природе, усилению испарения с водных поверхностей, что способствует накоплению водяного пара в атмосфере и активизации действия парникового эффекта. По мнению некоторых ученых, около 60% парникового эффекта вызывают пары воды. Чем больше их в тропосфере, тем сильнее парниковый эффект, а их концентрация в свою очередь зависит от приземных температур и площади водной поверхности.
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.
