Парниковый эффект, его природа и возможные последствия для современной биосферы

Министерство  образования и науки РФ

Федеральное государственное образовательное  бюджетное  учреждение высшего профессионального  образования

Волгоградский Государственный Технический Университет

Кафедра ПЭБЖ

 

 

 

Реферат по дисциплине «Химия ноосферы»

«Парниковый эффект, его природа и возможные  последствия для современной  биосферы»

Вариант 8

 

 

 

                                                         Выполнил: Карагодина М.Н.

                                                                               студент гр. ХТ-441

                                                               Проверил:  доцент Хохлова Т.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2013

Содержание

Введение 3

1 Сущность парникового эффекта 4

1.1 Количественное определение парникового эффекта 4

1.2 Природа парникового эффекта 5

1.3 Исторические сведения 6

2 Причины и последствия парникового эффекта 12

2.1 Причины возникновения парникового эффекта 12

2.2 Парниковые газы 15

2.3 Последствия парникового эффекта 21

3 Пути решения проблемы усиления парникового эффекта 23

3.1 Исследования изменения климата 23

3.2 Решение проблемы изменения климата в разных странах 24

Заключение 28

Список используемых источников 30

 

Введение

        В последнее время деятельность человека оказывает беспрецедентное по масштабам и интенсивности воздействие на окружающую среду и глобальные системы жизнеобеспечения. Доказательство тому - одна из многих экологических проблем - глобальное потепление климата - парниковый эффект. Скоро атмосфера станет непроницаемой для тепла, и последствия могут быть очень глобальными - неизбежное повышение уровня мирового океана в результате таяния материковых и горных ледников, морских льдов, теплового расширения вод океана. Такое потепление климата вызовет серьёзные изменения экологических условий в тундре, в зонах "вечной мерзлоты": увеличится сезонное протаивание грунтов, что создаст угрозу дорогам, строениям и коммуникациям, активизируется процесс заболачивания, ухудшится состояние лесных массивов на вечной мерзлоте.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Сущность парникового эффекта

 

Парнико́вый эффе́кт — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса [9,с.265].

1.1 Количественное определение парникового  эффекта

 

Количественно величина парникового  эффекта  определяется как разница между средней приповерхностной температурой атмосферы планеты и её эффективной температурой . Парниковый эффект существенен для планет с плотными атмосферами, содержащими газы, поглощающие излучение в инфракрасной области спектра, и пропорционален плотности атмосферы. Следствием парникового эффекта является также сглаживание температурных контрастов как между полярными и экваториальными зонами планеты, так и между дневными и ночными температурами (см. таблицу 1, температуры даны в Кельвинах, - средняя максимальная температура (полдень на экваторе), - средняя минимальная температура) [4, с.98].

 

Таблица 1 – Количественное определение парникового эффекта

Планета	Атм. давление у поверхности, атм.						ΔT
Венера	90	231	735	504	-	-	-
Земля	1	249	288	39	313	200	113
Луна	0			0	393	113	280
Марс	0,006	210	218	8	300	147	153

 

1.2 Природа парникового эффекта

         Парниковый эффект атмосфер обусловлен их различной прозрачностью в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах. На диапазон длин волн 400—​1500 нм (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, CH₄ и пр. — см. Рис. 1), 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 переизлучение 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 [4,с.99].

 

Рисунок 1- Прозрачность атмосферы Земли в видимом и инфракрасном диапазонах (поглощение и рассеивание) [1, с. 124]

 

1. Интенсивность солнечной радиации (слева) и инфракрасного излучения  поверхности Земли (справа) —  даны спектральные интенсивности  без учёта и с учётом поглощения

2. Суммарное поглощение и рассеивание  в атмосфере в зависимости  от длины волны

3. Спектры поглощения различных  парниковых газов и рэлеевское рассеяние [1, с. 124].

1.3 Исторические сведения

Обычно люди представляют атмосферу  Земли как некий общий безразмерный и неисчерпаемый резервуар, из которого каждое государство и хозяйствующий  субъект вправе брать без меры содержащиеся в нем ресурсы кислорода, азота и других газов, и, без меры же, выбрасывать в него разнообразные отходы. Получается, что, с одной стороны, атмосфера Земли, содержащая пусть значительные, но конечные и невосполняемые ресурсы, принадлежит всему человечеству, а с другой — не принадлежит никому. В чем суть существующей экологической ситуации и почему она особенно опасна в сфере выбросов углекислого газа и других парниковых газов в атмосферу Земли, речь идет ниже.

В природе существуют два принципиально  разных, скорее противоположных и  самостоятельных биологических  «технологических» процесса, которые, вместе с тем, между собой взаимосвязаны. Один, восстановительный по отношению  к кислороду, происходит в растительных формах путем разделения углекислого  газа на составляющие при помощи фотосинтеза  с потреблением солнечной энергии  и выделением кислорода в качестве «отхода» этой природной технологии. Без углекислого газа растения существовать не могут. Другой процесс, восстановительный по отношению к углекислому газу, и окислительный, расходный по отношению к кислороду, существует в двух основных видах: в форме гниения и распада органических остатков после гибели растений, естественного окисления химических элементов, горения при пожарах и в факелах, техногенных процессах в двигателях, в химических и иных технологиях, и в виде жизнедеятельности живых организмов, существующих в воздушной и водной среде. Эти процессы происходят с потреблением кислорода и выделением углекислого газа как отхода таких технологий. Без кислорода живые организмы, включая человека, существовать не могут, также как не могут осуществляться упоминавшиеся техногенные процессы.

Здесь понятие «технологии» трактуется расширительно, путем распространения  его на естественные (природные) технологии, существующие и развивающиеся без  участия человека, по сравнению с  «искусственными» технологиями, созданными человеком.

Оба этих процесса по «производству» и потреблению основных животворящих компонентов — углекислого газа и кислорода — не сбалансированы. Выделение кислорода при функционировании растений и его потребление после гибели, при гниении, распаде, горении растений, как показывают исследования, примерно равны. Этот остаточный и реликтовый процесс кругооборота углекислого газа и кислорода в природе в настоящее время обслуживает лишь сам себя и в лучшем случае охватывает незначительное количество названных ресурсов (сравните 0,03% содержания углекислого газа и 21% свободного кислорода в атмосфере Земли). Это указывает на то, что растительный мир в его современном виде никак не может выполнять и не выполняет приписываемую ему функцию «легких планеты». Если же предположить, что происходит дополнительное накопление кислорода в атмосфере за счет фотосинтеза растений, то в этом случае излишнее количество углеродных остатков должно накапливаться и сейчас в форме образования новых месторождений горючих ископаемых, однако этого не наблюдается, кроме незначительных количеств торфа. Кроме того, следует учитывать и общий незначительный объем регулируемого ресурса — 0,03% СО2 в атмосфере [10,с.132].

Потребление кислорода животными  формами и названными ранее техногенными процессами происходит за счет его  ранее накопленных запасов, образованных в предыдущих, уже прошедших эволюционных периодах Земли, что нарушает современный  углеродный и кислородный балансы  в ее атмосфере.

Динамика содержания углекислого  газа и кислорода в атмосфере  Земли в результате биологических  процессов в разные периоды ее эволюции, которая оказывала решающее влияние на экологические условия  и формирование биологических форм, чрезвычайно важна для понимания  нынешней экологической и энергетической ситуации.

Согласно существующей эволюционной концепции, в ранние периоды после  образования Земли ее атмосфера  была бескислородной и содержала  большое количество углекислого  газа, аммиака, водяных паров и  других газов. Состав водной среды также  существенно отличался от современного. В связи с этим возникает вопрос, откуда появился свободный кислород в таком большом количестве, с учетом того, что он является химически наиболее активным неметаллом после фтора? Какие процессы обусловили возникновение и интенсивный рост кислородной составляющей в атмосфере и что можно ожидать в будущем, по мере развития цивилизации?

Представим в общих чертах изменение  углеродно-кислородной ситуации на разных этапах биологической эволюции Земли.

На самых ранних этапах, продолжающихся, однако, достаточно долго содержание углекислого газа в атмосфере было определяющим и в любом случае составляло не менее половины содержания газов в атмосфере, что обусловило ряд важных для нашего случая явлений: мощного парникового эффекта и повышенных по сравнению с современными температурами и давлением у поверхности Земли, зарождение жизни в растительных формах, ее территориальное распространение и быстрый рост интенсивности биологических процессов, непосредственное химическое взаимодействие углекислого газа с элементами земной коры и образование разнообразных карбонатных горных пород.

В связи с тем, что на начальных  этапах жизнь была бескислородной, она существовала в исключительно  растительных формах с преобладанием  процессов фотосинтеза. Доказано, что  в докембрии (3,5-4 млрд. лет начального этапа) зародилась жизнь и постепенно возникла кислородная атмосфера, однако отсутствовали белковые формы жизни  и скелетная фауна. Ясно, что на начальных этапах биологические  процессы не были сбалансированы. Древние  растения в процессах выживания  и отбора, изменяясь по видам, формам, функционально, неизменно разлагали  углекислый газ, имевшийся в избытке, на составляющие — кислород, попадавший в атмосферу, и углеродно-водородную составляющую, попадавшую преимущественно в земную кору, дошедшую до нас в виде месторождений горючих ископаемых. В таких условиях жизнь на начальных этапах эволюции Земли была представлена исключительно в растительных и безбелковых формах, имела повсеместное распространение как в водной среде, так и на суше. Об этом свидетельствуют бесчисленные месторождения горючих ископаемых под дном полярных морей, подо льдом Антарктиды, в экваториальных и других районах Земли.

Важным является также то, что  практически все углеродно-водородные остатки не только накапливались, но и сами видоизменялись, приобретая разные формы, так как имели разный возраст, состояли из остатков разных растительных форм. В это время  на Земле не было ни процессов гниения, ни окисления, ни пожаров, так как  содержание кислорода в атмосфере  и водной среде еще не достигло критических величин (15-18%). Поэтому  не существовало и животных биологических  форм. Вместе с тем, процессы фотосинтеза  существовали в формах, на порядки  более интенсивных, чем современные, из-за высокого содержания углекислого  газа в атмосфере и более высоких  давлений и температур у поверхности  Земли и в водной среде.

Накопление отходов древних  биологических процессов в виде кислорода и уменьшение содержания углекислого газа в атмосфере  Земли постепенно снижали парниковый эффект, понижали температуру поверхности  Земли и водной среды и замедляли  интенсивность процессов фотосинтеза  растений. И только примерно 0,8-1,0 млрд. лет тому назад после достижения критической концентрации кислорода в атмосфере и в водной среде появились простейшие живые микроорганизмы, которые в целом не нарушили общей тенденции процессов уменьшения концентрации углекислого газа, наращивания запасов кислорода в атмосфере и в водной среде и горючих ископаемых в земной коре. При достижении концентрации кислорода более критической создались условия для непрерывного устойчивого горения и появления пожаров, что впоследствии послужило начальным толчком для развития человеком энергетических технологий. И только в эпоху, непосредственно предшествующую появлению динозавров, то есть 300 — 350 млн. лет тому назад, природа, наконец, «изобрела» технологии переработки зеленой массы и клетчатки растений и превращения ее в пищу растительноядных животных, технологии гниения и распада растений после их гибели в примерно современном виде. В это же время состав атмосферы и водной среды приобрел пропорции, соответствующие современным [8,с.123].