Парниковый эффект: исторические сведения и причины

Проблема углекислоты  
Среди стоящих перед человечеством глобальных экологических проблем проблема СО₂ - одна из самых дискуссионных. Многие считают ее мнимой, надуманной. И действительно, пока нет реальных признаков потепления климата, которое прогнозируется некоторыми климатологами и физиками. Потепление, по их мнению, должно наступить из-за увеличения парникового эффекта, который в свою очередь возникает в результате накопления в атмосфере углекислого газа антропогенного происхождения.  
В четвертичный период, включая и наше время, содержание СО₂ в воздухе характеризуются очень малыми величинами. В ХIХ в. содержание СО₂ в воздухе также было значительно ниже современного. За последнее время на земном шаре темпы накопления этого газа в атмосфере беспрецедентно высоки. Полезны или вредны будут его последствия? Мнения специалистов по этому поводу расходятся...  
Так, физик М.И. Будыко прогнозирует увеличение концентрации атмосферного СО₂ 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.  
М.И. Будыко формулирует свою точку зрения следующим образом: "Рассматривая процесс обеднения атмосферы углекислым газом, который преобладал на протяжении последних 100 миллионов лет, как непосредственную угрозу для существования биосферы в связи со снижением продуктивности автотрофных растений и возможностью полного оледенения Земли. Следует считать, что современное антропогенное воздействие на биосферу способствует устранению этой угрозы.  
Многие стороны процесса глобального потепления могут быть благоприятными для человечества (повышение продуктивности растений, расширение возможностей хозяйственного использования территорий с холодным климатом и т.д.). Однако следует учитывать неизбежность ряда трудностей, которые возникнут в связи с этим процессом. Главная из них - необходимость в относительно короткий срок приспособить многие отрасли хозяйственной деятельности к условиям быстро меняющегося климата и других компонентов природной среды".  
По мнению физика В.И. Лебедева, увеличение концентрации СО₂ 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.  
Вопрос об увеличении продуктивности наземных растений в результате роста концентрации СО₂ в воздухе, однако, далеко не так прост, как об этом пишут авторы оптимистических прогнозов.  
Скорее всего неверны те утверждения некоторых физиков, что биосфера уже сейчас выполняет функцию буфера и ассимилирует тем больше СО₂, чем больше его поступает в атмосферу. Биосфера пока не выполняет такой функции. Наоборот, под действием растущей антропогенной нагрузки она разрушается и становится источником громадных количеств СО₂.  
Пессимистические прогнозы последствий антропогенного потепления климата основаны на представлении о существовании динамического равновесия между всеми компонентами природной среды и опасности нарушения этого равновесия. В частности, антропогенное потепление климата и связанное с ним уменьшение, а затем и исчезновение масс снега и льда в высоких широтах и на полюсах Земли значительно ослабят меридиональную атмосферную циркуляцию и, как следствие этого, увлажненность материков. Какими бы ни были последствия увеличения СО₂ в воздухе, их положительный эффект не идет ни в какое сравнение с отрицательным (таяние материковых ледников и деградация многолетней мерзлоты), который неизбежен в случае "антропогенного перегрева" Земли.  
Как уже отмечалось, за последние 250-300 лет уровень Мирового океана повышался в среднем на 1 мм в год. 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.

Самые значительные масштабы прогнозируемое антропогенное потепление климата должно иметь в Арктике  и Субарктике. Здесь уже в начале XXI в. могут произойти деградация многолетней мерзлоты и просадки льдистых пород. Всем городам, поселкам и коммуникациям, построенным на таких породах, угрожает разрушение.  
Есть все основания думать, что радикальные климатические изменения и соответствующая им деградация ледников будут сопровождаться также нарушением режима процессов, идущих в глубинах Земли. Вследствие таяния ледников и перераспределения водных масс от полюсов к низким широтам скорость вращения Земли будет замедляться на незначительную величину. Тем не менее, это должно вызвать изменение ее формы. Сплюснутость земли несколько уменьшится. В средних и низких широтах должны вырасти напряжения сжатия. Смогут ли импульсы дополнительного сжатия, вызванные антропогенным фактором, стимулировать вулканизм и землетрясения в Тихоокеанском поясе, Средиземноморье и в других подобных районах?  
Если в связи с распадом Западно-антарктического ледникового щита столб воды в океане быстро вырастет на 5-7 м, то этого может оказаться достаточно для активизации сейсмовулканических процессов в самых "чутких" к изменению нагрузки участках океана.  
Подтопление окраин материков и изменение географии их влажных и засушливых зон скажутся и на подземной "гидросфере". Не будут ли поднятия и опускания земной коры в зонах наращивания и уменьшения природных водонапорных горизонтов сопровождаться возбуждением сейсмической активности? Данные об антропогенных просадках и поднятиях земной поверхности, возбуждающих сейсмичность, свидетельствуют о вероятности таких событий.  
Динамическое равновесие между земными оболочками, которое поддерживается медленно идущими геологическими и географическими процессами, может нарушиться катастрофически быстро, в течение сотен лет. Такое нарушение, несомненно, нанесет огромный ущерб мировому хозяйству, хотя технический гений человечества наверняка сможет противостоять и ему. Следовательно, чем раньше будут приняты меры противодействия увеличению концентрации атмосферного СО2, тем лучше будет для биосферы и человека.  

Причины роста  концентрации углекислоты  
До недавнего времени большинство исследователей считали сжигание ископаемого топлива едва ли не единственной причиной роста содержания СО₂ в воздухе в ХIХ и ХХ вв.  
Сегодня среди процессов, нарушающих редукцию почвенно-растительного покрова суши стоят такие, как:  
1)    сведение лесов;  
2)    выбросы фреонов;  
3)    земледелие;  
4)    перевыпас и ряд других нарушений;  
5)    широкое распространение реактивных самолетов.  
Сведение лесов при строительстве горных разработках, создании водохранилищ и особенно превращение лесных земель в сельскохозяйственные считается важнейшим процессом, ведущим к невозобновимой убыли органического вещества биосферы. 25% содержащегося в атмосфере углекислого газа обязаны своим присутствием этому процессу. Сведение лесов и сжигание топлива по масштабам продуцируемого СО₂ сейчас примерно уравновешивают друг друга.  
Дигрессия лесов происходит при чрезмерном использовании для отдыха и туризма, при загрязнении воздуха и в ряде других случаев (интенсивная пастьба, подтопление местности, осушение близлежащих болот и др.). Наблюдениями установлено, что даже незначительная по времени нагрузка вызывает изменения в почвенно-растительном покрове, сравнимые с теми, которые происходят при продолжительном использовании. Уплотнение почвы, происходящее в лесопарках, заказниках и т.д. ведет к уменьшению массы корней деревьев, из-за чего снижается прирост древесины, деревья становятся мельче, разреживается и укорачивается их хвоя. Механическое же повреждение деревьев приводит к развитию болезней и вредителей. При массовом посещении лесов гибнут нижние ярусы растительности, вытаптывается почвенная подстилка и страдает гумусовый горизонт. Так, на стоянках и площадках для отдыха в лесу запасы органического вещества в почве снижаются на 50% и более.  
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.  
Земледелие в наше время - мощный процесс, ведущий к быстрому уменьшению запасов гумуса в почвах и выделению СО₂. Больше всего гумуса теряется в результате сильной эрозии и выдувания.  
Помимо этого возделываемые земли теряют гумус из-за его окисления при распашке почвы и выжигании растительности при подсечно-огневой системе земледелия. Постоянная потеря гумуса почвами замечена, когда в них истощаются запасы азота, не восполняемые удобрениями.  
В развитых странах в наше время азотное истощение почв компенсируется внесением минеральных азотных удобрений и посевами бобовых культур.  
Избыточная пастьба в тундрах, лесах, на лугах и особенно на засушливых землях приводит к их разрушению. В настоящее время особенно большой ущерб перевыпас наносит землям Африки. Евразии, Латинской Америки и Австралии. Одновременно с опустыниваемых площадей постепенно удаляется почва с ее органическим веществом.  
Осушение болот приводит к окислению части накопленного в торфяниках органического вещества. Кроме того, при удалении метрового слоя болотных вод с площади в 1 га дополнительно высвобождаются и окисляются десятки тонн растворенного органического вещества.  
Орошение земель также в ряде случаев приводит к потерям почвы в результате ирригационной эрозии. В то же время правильная мелиорация бедных пустынных земель, наоборот, мероприятие, которое увеличивает ресурсы органического вещества в почве. В настоящее время ежегодно 0,2-0,3 млн. га орошаемых земель превращаются в пустоши из-за засоления и заболачивания. После этого они чаще всего быстро разрушаются.  
Строительство и рост городов, создание коммуникаций и горные разработки ведут, как правило, к полному разрушению почвенно-растительного покрова, хотя затем на части охваченных этими процессами территорий создаются культурные почвы и растительность. Это лишь отчасти компенсирует потери органического вещества. В настоящее время размах строительства городов и коммуникаций и добыча полезных ископаемых увеличиваются так быстро, что несколько десятков миллионов гектаров суши будут представлять собой земли, нарушенные горными разработками. Очевидно, не будет преувеличением считать, что ежегодно строительные работы и горная добыча разрушают почвенно-растительный покров на площади 5-10 млн. га, что ведет к убыли запасов органического вещества биосферы, исчисляемой десятками и сотнями тонн в сухом весе с 1 га. Даже самый осторожный подсчет должен дать суммарную цифру ежегодных потерь в несколько сот миллионов тонн органического вещества.

ВОЗМОЖНЫЕ СЦЕНАРИИ ГЛОБАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ  
Глобальные климатические изменения очень сложны, поэтому современная наука не может дать однозначного ответа, что же нас ожидает в ближайшем будущем. Существует множество сценариев развития ситуации. Для определения данных сценариев учитываются факторы замедляющие и ускоряющие глобальное потепление.  
Факторы, ускоряющие глобальное потепление:  
+ эмиссия CO₂, метана, закиси азота в результате техногенной деятельности человека;  
+ разложение, вследствие повышения температуры, геохимических источников карбонатов с выделением СО₂. В земной коре содержится в связанном состоянии углекислого газа в 50000 раз больше, чем в атмосфере;  
+ увеличение содержания в атмосфере Земли водяного пара, вследствие роста температуры, а значит и испаряемости воды океанов;  
+ выделение CO₂ Мировым океаном вследствие его нагревания (растворимость газов при повышении температуры воды падает). С ростом температуры воды на каждый градус растворимость в ней CO2 падает на 3%. В Мировом океане содержится в 60 раз больше CO₂, чем в атмосфере Земли (140 триллионов тонн);  
+ уменьшение альбедо Земли (отражающей способности поверхности планеты), вследствие таяния ледников, смены климатических зон и растительности. Морская гладь отражает значительно меньше солнечных лучей, чем полярные ледники и снега планеты, горы лишённые ледников, также обладаю меньшим альбедо, продвигающая на север древесная растительность обладает меньшим альбедо, чем растения тундр. За последние пять лет альбедо Земли уже уменьшилось на 2,5%;  
+ выделение метана при таянии вечной мерзлоты;  
+ разложение метангидратов – кристаллических льдистых соединений воды и метана, содержащихся в приполярных областях Земли.  
Факторы, замедляющие глобальное потепление:  
- глобальное потепление вызывает замедление скорости океанических течений, замедление тёплого течения Гольфстрим вызовет снижение температуры в Арктике;  
- с увеличением температуры на Земле растёт испаряемость, а значит и облачность, которая является определённого рода преградой на пути солнечных лучей. Площадь облачности растет приблизительно на 0,4% на каждый градус потепления;  
- с ростом испаряемости увеличивается количество выпадающих осадков, что способствует заболачиванию земель, а болота, как известно, являются одними из главных депо CO₂;  
- увеличение температуры, будет способствовать расширению площади тёплых морей, а значит и расширению ареала моллюсков и коралловых рифов, эти организмы принимают активное участие в депонировании CO₂, который идёт на постройку раковин;  
- увеличение концентрации CO₂ в атмосфере стимулирует рост и развитие растений, которые являются активными акцепторами (потребителями) этого парникового газа.  
Вот 5 сценариев будущего планеты Земля:  
Сценарий 1 – глобальное потепление будет происходить постепенно. Земля очень большая и сложная система, состоящая из большого количества связанных между собой структурных компонентов. На планете есть подвижная атмосфера, движение воздушных масс которой распределяет тепловую энергию по широтам планеты, на Земле есть огромный аккумулятор тепла и газов – Мировой океан (океан накапливает в 1000 раз больше тепла, чем атмосфера) Изменения в такой сложной системе не могут происходить быстро. Пройдут столетия и тысячелетия, прежде чем можно будет судить об сколько-нибудь ощутимом изменении климата.  
Сценарий 2 – глобальное потепление будет происходить относительно быстро. Самый «популярный» в настоящее время сценарий. По различным оценкам за последние сто лет средняя температура на нашей планете увеличилась на 0,5-1°С, концентрация – СО₂ возросла на 20-24 %, а метана на 100%. В будущем эти процессы получат дальнейшее продолжение и к концу XXI века средняя температура поверхности Земли может увеличиться от 1,1 до 6,4°С. Дальнейшее таяние Арктических и Антарктических льдов может ускорить процессы глобального потепления из-за изменения альбедо планеты. По утверждению некоторых учёных, только ледяные шапки планеты за счёт отражения солнечного излучения охлаждают нашу Землю на 2°С, а покрывающий поверхность океана лёд существенно замедляет процессы теплообмена между относительно теплыми океаническим водами и более холодным поверхностным слоем атмосферы. Кроме того, над ледяными шапками практически нет главного парникового газа – водяного пара, так как он выморожен.  
Глобальное потепление будет сопровождаться подъёмом уровня мирового океана. С 1995 по 2005 год уровень Мирового океана уже поднялся на 4 см, вместо прогнозируемых 2-ух см. Если уровень Мирового океана в дальнейшем будет подниматься с такой же скоростью, то к концу XXI века суммарный подъём его уровня составит 30 - 50 см, что вызовет частичное затопление многих прибрежных территорий, особенно многонаселённого побережья Азии. Следует помнить, что около 100 миллионов человек на Земле живёт на высоте меньше 88 сантиметров над уровнем моря.  
Кроме повышения уровня Мирового океана глобальное потепление влияет на силу ветров и распределение осадков на планете. В результате на планете вырастет частота и масштабы различных природных катаклизмов (штормы, ураганы, засухи, наводнения).  
В настоящее время от засухи страдает 2% всей суши, по прогнозам некоторых учёных к 2050 году засухой будет охвачено до 10% всех земель материков. Кроме того, изменится распределение количества осадков по сезонам.  
В Северной Европе и на западе США увеличится количество осадков и частота штормов, ураганы будут бушевать в 2-а раза чаще, чем в XX веке. Климат Центральной Европы станет переменчивым, в сердце Европы зимы станут теплее, а лето дождливее. Восточную и Южную Европу, включая Средиземноморье, ждёт засуха и жара.  
Сценарий 3 – Глобальное потепление в некоторых частях Земли сменится кратковременным похолоданием. Известно, что одним из факторов возникновения океанических течений является градиент (разница) температур между арктическими и тропическими водами. Таяние полярных льдов способствует повышению температуры Арктических вод, а значит, вызывает уменьшение температурной разницы между тропическими и арктическими водами, что неминуемо, в будущем приведёт к замедлению течений.  
Одним из самых известных тёплых течений является Гольфстрим, благодаря которому во многих странах Северной Европы среднегодовая температура на 10 градусов выше, чем в других аналогичных климатических зонах Земли. Понятно, что остановка этого океанического конвейера тепла очень сильно повлияет на климат Земли. Уже сейчас течение Гольфстрим, стало слабее на 30% по сравнению с 1957 годом. Математическое моделирование показало, чтобы полностью остановить Гольфстрим достаточно будет повышения температуры на 2-2,5 градуса. В настоящее время температура Северной Атлантики уже прогрелась на 0,2 градуса по сравнению с 70-ми годами. В случае остановки Гольфстрима среднегодовая температура в Европе к 2010 году понизится на 1 градус, а после 2010 года дальнейший рост среднегодовой температуры продолжится. Другие математические модели «сулят» более сильное похолодание Европе.  
Согласно этим математическим расчётам полная остановка Гольфстрима произойдёт через 20 лет, в результате чего климат Северной Европы, Ирландии, Исландии и Великобритании может стать холоднее настоящего на 4-6 градусов, усилятся дожди и участятся шторма. Похолодание затронет также и Нидерланды, Бельгию, Скандинавию и север европейской части России. После 2020-2030 года потепление в Европе возобновится по сценарию №2.  
Сценарий 4 – Глобальное потепление сменится глобальным похолоданием. Остановка Гольфстрима и других океанических вызовет глобальное похолодание на Земле и наступление очередного ледникового периода.  
Сценарий 5 - Парниковая катастрофа. Парниковая катастрофа - самый «неприятный» сценарий развития процессов глобального потепления. Автором теории является наш учёный Карнаухов, суть её в следующем. Рост среднегодовой температуры на Земле, вследствие увеличения в атмосфере Земли содержания антропогенного CO₂, вызовет переход в атмосферу растворённого в океане CO₂, а также спровоцирует разложение осадочных карбонатных пород с дополнительным выделением углекислого газа, который, в свою очередь, поднимет температуру на Земле ещё выше, что повлечёт за собой дальнейшее разложение карбонатов, лежащих в более глубоких слоях земной коры (в океане содержится углекислого газа в 60 раз больше, чем в атмосфере, а в земной коре почти в 50 000 раз больше). Ледники будут интенсивно таять, уменьшая альбедо Земли. Такое быстрое повышение температуры будет способствовать интенсивному поступлению метана из тающей вечной мерзлоты, а повышение температуры до 1,4–5,8°С к концу столетия будет способствовать разложению метангидратов (льдистых соединений воды и метана), сосредоточенных преимущественно в холодных местах Земли. Если учесть, что метан, является в 21 раз более сильным парниковым газом, чем CO₂ рост температуры на Земле будет катастрофическим.

Мировой выброс углекислоты в результате хозяйственной деятельности в 2004 году.     
        За год за счет сжигания ископаемого топлива и сведения лесов в атмосферу уходит более 1 т углерода на каждого жителя Земли. Основные поставщики СО₂ — развитые страны. На них приходится около 70% всего антропогенного выброса СО₂. Большие выбросы в Восточной Европе связаны не только с развитием промышленности, но и с устаревшими технологиями. Так, в бывшем СССР объем производства на душу населения составлял 2/3 европейского, а объем выбросов на душу населения был в два раза выше. Двуокись углерода — не единственный газ, который приводит к изменениям температуры. Хотя концентрации других газов достаточно низкие, их совокупный эффект может быть значительным. В таблице 1 перечислены основные газы, вносящие свой вклад в парниковый эффект.  
   
Таблица 1.  
          
        Основные газы, обусловливающие парниковый эффект  
       

 
        Примечание: С(2001) — предполагаемая концентрация в 2001 г.; С (2004) — концентрация в 2004 г.; С(2030) — прогнозируемая концентрация в 2030 г.; Р — среднегодовой прирост  концентрации (% в год); V — вклад  в потепление (%); Т- период сохранения газа в атмосфере (лет); ppm — одна миллионная часть, ppb — одна миллиардная по объему.  
Результаты сравнительного анализа изменчивости содержания СО₂ и СН₄ в атмосфере полярных регионов (прямые измерения и анализ воздушных включений кернов льда) и данные глобального атмосферного мониторинга показали, что планетарный максимум в распределении этих газов находится не над зоной 60^° с. ш., где потребляется свыше 90% ископаемого топлива, а над Арктикой/Субарктикой, где антропогенная активность относительно невелика: между 60^° и 70^° с. ш. сжигается менее 5% добываемого ископаемого топлива. Это значит, что в северных широтах существует мощный природный источник СО₂ и СН₄, который обеспечивает существование межполюсного градиента в меридиональном распределении СО₂ и СН₄: среднее содержание атмосферного СО₂ примерно на 3 mатм (около 1% от средней величины) и СН₄ на 0.15-0.17 mатм (8-10% от средней величины) над Арктикой выше, чем над Антарктикой. ..  
   
                      Межполюсные градиенты СО₂ и СН₄.  
Содержание углекислоты в оболочках Земли приведено в таблице 2.  
Таблица 2.  
            Содержание углекислоты в оболочках Земли.

   
Из таблицы видно, что в атмосфере остались, по существу, жалкие остатки СО₂. А ведь жизнь растений целиком зависит от фотосинтеза, который без СО₂ невозможен. Если освободить всю углекислоту, захороненную в карбонатных отложениях на дне океанов и континентов, то ее содержание в атмосфере повысится в 130 000 раз и парциальное давление углекислого газа станет равным 40 атмосферам, т.е. атмосфера станет, по существу, углекислотной, почти такой же, как на Венере, где давление равно 90 атмосфер, а температура близка к 50000С.  
Кроме концентрации газа, большое значение имеют период сохранения его молекул в атмосфере и эффективность взаимодействия с тепловым излучением. Так, например, молекула метана остается в атмосфере около 11 лет и абсорбирует тепловое излучение приблизительно в 15 раз более эффективно, чем молекула СО₂. Доля метана в суммарном тепличном эффекте оценивается в 15%, доля фреонов — от 15 до 20%. Вызывает тревогу увеличение концентрации метана в атмосфере. Она оставалась неизменной почти в течение 1000 лет, а с начала XIX столетия начала расти, и сейчас почти удвоилась (рис. 3). Основные источники выброса метана антропогенного происхождения: животноводство, рисовые поля, добыча угля, а также природные болота.

Заключение

Конец ХХ века характеризуется мощным рывком научно технического прогресса, ростом социальных противоречий, резким демографическим взрывом, ухудшением состояния окружающей человека природной  среды.

Поистине, наша планета никогда  раньше не подвергалась таким физическим и политическим перегрузкам, какие  она испытывает на рубеже ХХ – ХХI веков.

Человек никогда ранее не взимал с природы столько дани и не оказывался столь уязвимым перед  мощью, которую сам же и создал. XX век принес человечеству немало благ, связанных с бурным развитием  научно-технического прогресса, и в  то же время поставил жизнь на Земле  на грань экологической катастрофы. Рост населения, интенсификация добычи и выбросов, загрязняющих Землю, приводят к коренным изменениям в природе  и отражаются на самом существовании  человека. Часть из таких изменений  чрезвычайно сильна и настолько  широко распространена, что возникают  глобальные экологические проблемы. Имеются серьезные проблемы загрязнения (атмосферы, вод, почв), кислотных дождей, радиационного поражения территории, а также утраты отдельных видов  растений и живых организмов, оскудения  биоресурсов, обезлесения и опустынивания  территорий.