Механизм и последствия парникового эффекта

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 

Кафедра: Экологии

 

ДОКЛАД

По дисциплине:  Экология

На тему: «Механизм и последствия парникового эффекта»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовил: студент 414 группы  
Попов Константин Евгениевич

 

 

 

Введение 

 

Основным источником энергии, поддерживающим жизнь на Земле, является солнечная радиация- электромагнитное излучение Солнца, проникающее в земную атмосферу. Солнечная энергия поддерживает также и все атмосферные процессы, которые определяют смену сезонов: весна – лето – осень - зима, а также изменения погодных условий.

Около половины солнечной энергии приходится на видимую часть спектра, которую мы воспринимаем как солнечный свет. Эта радиация достаточно свободно проходит через земную атмосферу и поглощается поверхностью суши и океанов, нагревая их. Но ведь солнечная радиация поступает на Землю ежедневно в течение многих тысячелетий, почему же в таком случае Земля не перегревается и не превращается в маленькое Солнце?

Дело в том, что и земля, и водная поверхность, и атмосфера в свою очередь тоже испускают энергию, только уже в несколько иной форме — как невидимое инфракрасное, или тепловое, излучение.

В среднем же достаточно длительное время в космическое пространство уходит ровно столько энергии в виде инфракрасного излучения, сколько ее поступает в виде солнечного света. Таким образом, устанавливается тепловое равновесие нашей планеты. Весь вопрос в том, при какой температуре установится это равновесие. Если бы атмосферы не было, средняя температура Земли составляла бы -23 градуса. Защитное действие атмосферы, поглощающей часть инфракрасного излучения земной поверхности, приводит к тому, что в действительности эта температура составляет+15 градусов. Повышение температуры — суть следствие парникового эффекта в атмосфере, который усиливается с увеличением количества углекислого газа и водяного пара в атмосфере. Эти газы лучше всего поглощают инфракрасную радиацию.

В последние десятилетия в атмосфере все больше и больше увеличивается концентрация углекислого газа. Это происходит оттого; что с каждым годом увеличиваются объемы сжигания ископаемого топлива и древесины. Вследствие этого средняя температура воздуха у поверхности Земли повышается примерно на 0,5градуса за столетие. Если нынешние темпы сжигания топлива, а значит, и повышение концентрации парниковых газов сохранятся и в дальнейшем, то, по некоторым прогнозам, в следующем столетии ожидается еще большее потепление климата.

Механизм парникового эффекта и его роль в биосферных процессах

Основным источником жизни и всех природных процессов на Земле является лучистая энергия Солнца. Энергия солнечной радиации всех длин волн, поступающая на нашу планету в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам, называется солнечной постоянной и составляет 1,4 кДж/см2. Это лишь одна двухмиллиардная доля энергии, излучаемой поверхностью Солнца. Из общего количества солнечной энергии, поступающей на Землю, атмосфера поглощает -20%.Примерно 34% энергии, проникающей в глубь атмосферы и доходящей до поверхности Земли, отражается облаками атмосферы, аэрозолями, в ней находящимися, и самой поверхностью Земли. Таким образом, до земной поверхности доходит -46% солнечной энергии и поглощается ею. В свою очередь поверхность суши и воды излучает длинноволновую инфракрасную (тепловую) радиацию, которая частично уходит в космос, а частично остается в атмосфере, задерживаясь входящими в ее состав газами и нагревая приземные слои воздуха. Эта изоляция Земли от космического пространства создала благоприятные условия для развития живых организмов.

Природа парникового эффекта  атмосфер обусловлена их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400—​1500нм (видимый свет и ближний инфракрасный диапазон) приходится 75 % энергии солнечного излучения, большинство газов не поглощают в этом диапазоне; рэлеевское рассеяние в газах и рассеяние на атмосферных аэрозолях не препятствуют проникновению излучения этих длин волн в глубины атмосфер и достижению поверхности планет. Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли () 75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8—28 мкм, для Венеры  — 3,3—12 мкм.

Атмосфера, содержащая газы, поглощающие в этой области спектра (т. н. парниковые газы — H2O, CO2, CH4и пр.,  существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазоне большую оптическую толщину. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что пере излучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности.

Таким образом задерживаемое идущее от земной поверхности тепловое излучение (подобно пленке над парником),получило образное название парниковый эффект. Газы, задерживающие тепловое излучение и препятствующие оттоку тепла в космическое пространство, называют парниковыми газами. Благодаря парниковому эффекту среднегодовая температура у поверхности Земли в последнее тысячелетие составляет примерно 15°С. Без парникового эффекта эта температура опустилась бы до -18°С и существование жизни на Земле стало бы невозможным. Основным парниковым газом атмосферы является водяной пар, задерживающий 60% теплового излучения Земли. Содержание водяного пара в атмосфере определяется планетарным круговоротом воды и (при сильных широтных и высотных колебаниях) практически постоянно. Примерно 40%теплового излучения Земли задерживается другими парниковыми газами, в том числе более 20% -углекислым газом. Основные природные источники СО2 в атмосфере — извержения вулканов и естественные лесные пожары. На заре геобиохимической эволюции Земли углекислый газ поступал в Мировой океан через подводные вулканы, насыщал его и выделялся в атмосферу. До сих пор нет точных оценок количестваСО2 в атмосфере на ранних этапах ее развития. По результатам анализа базальтовых пород подводных хребтов в Тихом и Атлантическом океанах американский геохимик Д. Марэ сделал вывод, что содержание СО2 в атмосфере в первый миллиард лет ее существования было в тысячу раз больше, чем в настоящее время, — около 39%. Тогда температура воздуха в приземном слое достигала почти100°С, а температура воды в Мировом океане приближалась к точке кипения(«сверх парниковый» эффект). С появлением фотосинтезирующих организмов и химических процессов связывания углекислого газа стал действовать мощный механизм изъятия СО2 из атмосферы и океана в осадочные породы. Парниковый эффект стал постепенно уменьшаться, пока не наступило то равновесие в биосфере, которое имело место до начала эпохи индустриализации и которому соответствует минимальное содержание углекислого газа в атмосфере — 0,03%. В отсутствие антропогенных выбросов углеродный цикл наземной и водной биоты, гидросферы, литосферы и атмосферы находился в равновесии. Поступление в атмосферу диоксида углерода за счет вулканической деятельности оценивается в 175 млн т в год. Осаждение в виде карбонатов связывает около 100 млн т. Велик океанический резерв углерода — он в 80 раз превышает атмосферный. Втрое больше, чем в атмосфере, углерода концентрируется в биоте, причем с увеличением СО2возрастает продуктивность наземной растительности.

Усиление парникового эффекта в индустриальную эпоху 

 

Усиление парникового эффекта в индустриальную эпоху связано в первую очередь с возрастанием содержания в атмосфере техногенного диоксида углерода за счет сжигания ископаемых видов органического топлива предприятиями энергетики, металлургическими заводами, автомобильными двигателями: С + О = СО2, С3H8+ 502= ЗСО2 + 4Н2О, С25Н52 + 38О2 = 25СО2+26Н20, 2С8Н18+25О2 = 16СО2 + 18Н2О.

Количество техногенных выбросов СО2 в атмосферу значительно возросло во второй половине XX в. Основной причиной этого стала колоссальная зависимость мировой экономики от ископаемых видов топлива. Индустриализация, урбанизация и стремительные темпы роста населения планеты обусловили увеличение мирового спроса на электроэнергию, удовлетворяющегося главным образом за счет сжигания горючих ископаемых. Рост потребления энергии всегда считался не только важным условием технического прогресса, но и благоприятным фактором существования и развития человеческой цивилизации. Когда человек научился добывать огонь, произошел первый скачок в изменении уровня жизни, энергоресурсами были мускульная сила человека и дрова.

Рост потребления энергии в настоящее время составляет около 5% в год, что при росте населения чуть менее 2% в год означает более чем двукратное увеличение душевого потребления. В 2000 г. мир израсходовал более 16- 109 кВт -ч энергии, четверть этого количества пришлась на США и столько же — на развивающиеся страны вместе с Китаем (доля России — около 6%). В настоящее время ископаемые виды органического топлива составляют более 90% всех первичных энергоресурсов, обеспечивая 75% мирового производства электрической энергии. В результате сжигания органического топлива только на тепловых электростанциях (ТЭС), не считая работу автомобильных двигателей и металлургических предприятий, в атмосферу ежегодно поступает более 5 млрд т углекислого газа (25% техногенных выбросов диоксида углерода в атмосферу дают США и страны Евросоюза, 1 1% — Китай, 9% — Россия).

С начала XX в., по оценкам экспертов ООН, увеличение выбросов СО2 составляло от 0,5 до 5% в год. В результате за последние сто лет только за счет сжигания топлива в атмосферу поступило 400 млрд. т углекислого газа.

Развитие индустриализации и экономической деятельности человека приводит к тому, что в воздух выбрасывается все больше примесей, создающих знаменитый парниковый эффект, — углекислого газа, метана и прочей «грязи». Это, соответственно, приводит к тому, что среднегодовые температуры медленно, но верно увеличиваются. Несмотря на то, что из года в год рост измеряется десятыми и сотыми долями градуса, за десятилетия и века накапливаются вполне солидные величины в несколько градусов по шкале Цельсия.

Последние климатические модели дают следующий результат: к началу следующего века, то есть к 2100 году, климат Земли станет теплее на 2-4,5 градуса относительно так называемого «доиндустриального» уровня (то есть относительно того давнего периода, когда промышленность еще не начала выбрасывать в атмосферу парниковые газы). Средняя оценка колеблется в районе трех градусов.

Однако наиболее важно, по-видимому, не то, насколько разогреется Земля в течение XXI века. Важнее то, что научный мир в целом пришел к согласию относительно причин температурного скачка. В течение последних 20-30 лет антропогенная теория глобального потепления постоянно сталкивалась с критикой со стороны скептиков, полагавших, что у климатических изменений могут быть и естественные причины. К 2007 году подавляющее большинство ученых сошлось на том, что ни солнечная радиация, ни вулканическая активность, ни иные природные явления не могут дать столь мощного теплового эффекта.

Заключение 

 

Таким образом, рост средней температуры, изменения климата не проходят для экосистемы бесследно. Условия существования живых организмов меняются, и это, в свою очередь, ведет к трудно прогнозируемым последствиям, вымиранию одних видов и внезапному распространению других.

Для человека, чьи технологические способности к адаптации очень высоки, потепление — также серьезный вызов, требующий перестройки системы приспособления. Так, в России таяние вечной мерзлоты может повлечь за собой разрушение целых городов. А это чревато уже не столько технологическими, сколько социальными последствиями. Повышение уровня мирового океана грозит затоплением значительных территорий в разных точках земного шара.

Само по себе глобальное потепление не является для экосистемы Земли новым явлением. Температурные изменения были и раньше (вспомните о ледниковых периодах), но никогда они небыли такими стремительными. В непредсказуемости изменения и заключается главная угроза для человечества.

Последние полвека наблюдается тенденция усиления парникового эффекта, имеющая общепланетарный характер. По мнению многих ученых -климатологов и экологов, с этим явлением связаны глобальные климатические изменения антропогенного характера. Это одна из наиболее серьезных экологических угроз, ожидающих человечество в XXI столетии.

Решить проблему помогут возобновляемые источники энергии, развитие которых все еще очень сильно зависит от участия государства. Здесь-то и возникает потребность в создании системы стимулирования и контроля. Киотский протокол — лишь определенный этап на пути создания такой системы в мировом масштабе.

Используемая литература:

 
- Монин А.С., Шишков Ю.А. «Климат как проблема физики» // УФН, том 170, № 4, 2000 г. 
- Яншин А. «Опасен ли парниковый эффект» // Наука и жизнь. 1989. №12. 
- Алексеев В.В., Киселева С.В., Чернова Н.И. «Рост концентрации СО2 в атмосфере — всеобщее благо?» // Природа, № 9, 1999 г. 
- Заварзин Г. А. «Становление биосферы» // Вестник Российской Академии наук, том71, № 11, с. 988-1001 (2001)