Парниковый эффект, его природа и возможные последствия для современной биосферы

 

2 Причины и последствия парникового эффекта

2.1 Причины возникновения парникового  эффекта

 

Прежде  всего надо понять, что происходит в природе. А происходит следующее. Во-первых, надежно зарегистрирован ежегодный рост концентрации диоксида углерода (СО2,) в атмосфере. Измерения начались в 1958 г. на станции Мауна-Лоа, расположенной на склоне крупнейшего в мире действующего вулкана с тем же названием, находящегося на Гавайских островах, а сейчас они проводятся на более чем десятке станций, разбросанных по всему миру.

Рисунок 2 - Изменение концентрации СО2 в атмосфере (в единицах 10-6) по данным различных станций мониторинга: Колд Бей (550 с. ш., 1620 з. д.)

 

 

Рисунок 3 - Океанская станция М (660 с. ш.,2.60 в. д.)

Рисунок 4 - Молд Бей (760 с. ш., 1190 з. д.)

Рисунок 5 - Мауна-Лоа (190 с.ш., 1550 з. д.).

       Во-вторых, последние десятилетия действительно растет средняя глобальная температура атмосферы (хотя это оспаривается рядом ученых).

Но  достоверной причинно-следственной связи роста концентрации СО2, в атмосфере с происходящим потеплением не установлено. Мы не знаем, действительно ли наблюдаемое потепление происходит из-за роста СО2, или у него другие причины [7,с.34].

В-третьих, как показывает статистика, наряду с потеплением усиливаются аномалии климата, и это усиление значительно. Оно проявляется, в частности, в  том, что в разных частях мира отмечаются как аномальная жара, так и аномальные морозы. В одно и то же время в  одних местах идут мощные дожди (с  наводнениями или селями), в других – на фоне невиданной жары сильнейшая засуха. Последние годы дали нам  немало примеров этих печальных событий, так что сегодня практически  каждый из нас в той или иной мере на себе ощутил последствия таких  аномалий.

Во  второй половине XX века началось резкое увеличение содержания в атмосфере так называемых парниковых газов – диоксида углерода, метана, оксида азота, фреонов и озона. Эти вещества действуют так же, как окна теплицы: пропускают сквозь себя солнечные лучи, но не дают теплу нагретой Земли рассеиваться в пространство. Все эти газы, как, оказалось, хорошо пропускают солнечные лучи к земной поверхности и заметно поглощают длинноволновое тепловое излучение поверхности Земли и нижних слоев атмосферы. Часть этого поглощённого теплового излучения возвращается обратно к земной поверхности, создавая парниковый эффект. Содержание таких газов в атмосфере увеличивается также из - за выжигания тропических лесов под пастбища. Лес играет важную роль в поглощении углекислого газа и выделение кислорода, а значит, регулирует глобальную температуру, и уменьшают парниковый эффект.

  Постоянное повышение концентрации  парниковых газов обусловлено  рядом причин.

Основная  масса диоксида углерода образуется при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ), использование  которого с каждым годом увеличивается. Ныне ежегодно выбросы СО₂ в атмосферу в мире составляют примерно 25 млрд. тонн, причем основной «вклад» (около 75% от общего количества выбросов) вносят промышленного развитые страны.

Постепенно  в атмосфере увеличивается содержание метана (в среднем на 1% в год) связано  с развитием интенсивного рисоводства, скотоводства, сжиганием биомассы.

Увеличение  содержания в атмосфере оксида азота (примерно на 0,3% в год) объясняется  в основном расширением производства и применения азотных удобрений  в сельском хозяйстве.

С конца 50 – х годов в промышленном производстве стали, широко применятся фреоны (хлорфторуглероды), и в настоящее время выброс их в мире достигает 1,4 млн. тонн в год, с тенденцией ежегодного увеличения выбросов на 4%. Так, вычислено, что воздействие 1 молекулы метана в 25 раз интенсивнее, чем 1 молекулы СО₂, а молекула фреона активнее в 11 тыс. раз! Поэтому быстрый рост в атмосфере концентраций метана и фреонов гораздо опаснее, чем увеличение содержания углекислого газа.

Если  текущие темпы сохранятся, то содержание углекислого газа в атмосфере  увеличится вдвое к 2060 году по сравнением с доиндустриальным уровнем, а к концу столетия – в четыре раза. Это очень обеспокоивает, так как жизненный цикл СО₂ в атмосфере составляет более ста лет, по сравнению с восьмидневным циклом водяного пара [8,c.154].

 

2.2 Парниковые газы

Парниковые газы — газы, которые предположительно вызывают глобальный парниковый эффект.

Основными парниковыми газами, в  порядке их оцениваемого воздействия  на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан, озон, галоуглероды и оксид азота.

Водяной пар

Водяной пар — основной естественный парниковый газ, ответственный более, чем за 60 % эффекта. Прямое антропогенное воздействие на этот источник незначительно. В то же время, увеличение температуры Земли, вызванное другими факторами, увеличивает испарение и общую концентрацию водяного пара в атмосфере при практически постоянной относительной влажности, что, в свою очередь, повышает парниковый эффект. Таким образом, возникает некоторая положительная обратная связь.

Метан

Гигантский выброс метана, скопившегося под морским дном, 55 миллионов  лет назад разогрел Землю на 7 градусов Цельсия.

То же самое может произойти  и сейчас - это предположение подтвердили  исследователи из HАСА. Используя компьютерные симуляции древнего климата, они пытались лучше понять роль метана в его изменении. Сейчас большинство исследований парникового эффекта фокусируется на роли углекислого газа в этом эффекте, хотя потенциал метана по удержанию тепла в атмосфере превышает способности углекислого газа в 20 раз.

Разнообразные бытовые приборы, работающие на газе, вносят свою долю в увеличение содержания метана в атмосфере 

За последние 200 лет содержание метана в атмосфере увеличилось  более чем в 2 раза благодаря разложению органических останков в болотах  и сырых низменностях, а также  утечек с созданных человеком  объектов: газовых трубопроводов, угледобывающих шахт, в результате увеличения ирригации  и выделения газов домашним скотом. Hо существует еще один источник метана - разлагающиеся органические остатки в океанических отложениях, сохранившиеся в замерзшем виде под морским дном.

Обычно низкие температуры и  высокое давление удерживают метан  под океаном в стабильном состоянии, однако так дела обстояли не всегда. В периоды глобального потепления, как, например, термический максимум позднего палеоцена, имевший место 55 миллионов лет назад и продолжавшийся 100 тысяч лет, движение литосферных плит, в частности, индийского субконтинента, привело к падению давления на морском дне и могло вызвать большой выброс метана. Когда атмосфера и океан начали нагреваться, выбросы метана могли увеличиться. Некоторые ученые полагают, что нынешнее глобальное потепление может привести к развитию событий по этому же сценарию - если океан существенно прогреется.

Когда метан попадает в атмосферу, он вступает в реакцию с молекулами кислорода и водорода, в результате чего возникают углекислый газ и  водяной пар, каждый из которых способен вызывать парниковый эффект. По ранее  сделанным прогнозам весь выброшенный  метан превратится в углекислый газ и воду примерно через 10 лет. Если это так, то увеличение концентрации углекислого газа станет основной причиной нагревания планеты. Однако попытки  подтвердить рассуждения ссылками на прошлое не увенчались успехом - следов увеличения концентрации углекислого  газа 55 миллионов лет назад не обнаружено.

Использовавшиеся в новом исследовании модели показали, что при резком возрастании уровня метана в атмосфере  содержание в ней реагирующих  с метаном кислорода и водорода снижается (вплоть до прекращения реакции), а остальной метан сохраняется  в воздухе сотни лет, сам по себе становясь причиной глобального  потепления. А этих сотен лет вполне достаточно, чтобы разогреть атмосферу, растопить лед в океанах и  изменить всю климатическую систему [8,c.201].

Основными антропогенными источниками  метана являются пищеварительная ферментация у скота, рисоводство, горение биомассы (в т. ч. сведение лесов). Как показали недавние исследования, быстрый рост концентрации метана в атмосфере происходил в первом тысячелетии нашей эры (предположительно в результате расширения сельхозпроизводства и скотоводства и выжигания лесов). В период с 1000 по 1700 годы концентрация метана упала на 40 %, но снова стала расти в последние столетия (предположительно в результате увеличения пахотных земель и пастбищ и выжигания лесов, использования древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота, количества нечистот, выращивания риса). Некоторый вклад в поступление метана дают утечки при разработке месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия метана в составе биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов.

Углекислый  газ

Источниками углекислого газа в  атмосфере Земли являются вулканические  выбросы, жизнедеятельность организмов, деятельность человека. Антропогенными источниками является сжигание ископаемого топлива, сжигание биомассы (в т. ч. сведение лесов), некоторые промышленные процессы (например производство цемента). Основными потребителями углекислого газа являются растения. В норме биоценоз поглощает приблизительно столько же углекислого газа, сколько и производит (в т. ч. за счет гниения биомассы).

 

Влияние диоксида углерода на интенсивность  парникового эффекта.

 

Многое  еще должно быть изучено о круговороте  углерода и роли Мирового океана как  огромного хранилища углекислого  газа. Как было сказано выше, человечество каждый год добавляет 7 миллиардов тонн углерода в форме СО₂ к имеющимся 750 миллиардам тонн. Но только около половины наших выбросов – 3 миллиарда тонн – остаются в воздухе. Это можно объяснить тем, что большая часть СО₂ используется земными и морскими растениями, хоронится в морских осадочных породах, поглощается морской водой или по другому абсорбируется. Из этой большой части СО₂ (около 4 миллиардов тонн) океаном поглощается около двух миллиардов тонн атмосферного диоксида углерода каждый год.

Все это увеличивает число не отвеченных вопросов: Как именно морская вода взаимодействует с атмосферным  воздухом, поглощая СО₂ ? Сколько еще углерода могут поглотить моря, и какой уровень глобального потепления может повлиять на их емкость? Какова способность океанов поглощать и сохранять тепло, задержанное изменением климата?

Роль  облаков и суспензированных частиц в воздушных потоках, называемых аэрозолями не просто учесть при построении климатической модели. Облака затеняют земную поверхность, приводя к похолоданию, но в зависимости от их высоты, плотности и других условий, они так же могут задерживать тепло, отраженное от земной поверхности, повышая интенсивность парникового эффекта. Действие аэрозолей также интересно. Некоторые из них изменяют водяной пар, конденсируя его в маленькие капельки, образующие облака. Эти облака очень плотные и затеняют поверхность Земли неделями. То есть они блокируют солнечный свет, пока не выпадут с осадками.

Комбинированный эффект может быть огромен: извержение вулкана Пинатуба в 1991 в Филиппинах выбросило в стратосферу колоссальный объем сульфатов, что явилось причиной всемирного понижения температуры, которое длилось два года.

Таким образом, наши собственные загрязнения, вызванные, главным образом, сжиганием  серосодержащего угля и масел, могут  временно сгладить эффект глобального  потепления. Специалисты оценивают, что в течение ХХ века аэрозоли снизили объем потепления на 20 %. В общем, температура поднималась  с 1940-х, но с 1970 года снизилась. Эффект аэрозолей  может помочь объяснить аномальное похолодание в середине прошлого века.

В 2006 году выбросы углекислого газа в  атмосферу составили 24 миллиарда  тонн. Очень активная группа исследователей возражает против мнения о том, что  одной из причин глобального потепления является деятельность человека. По ее мнению, главное заключается в  естественных процессах изменения  климата и повышении солнечной  активности. Но, по словам Клауса Хассельмана, руководителя Немецкого климатологического центра в Гамбурге, только 5 % можно объяснить природными причинами, а остальные 95 % - это техногенный фактор, вызванный деятельностью человека [7,c.24].

Некоторые ученые также не связывают увеличение объема СО₂ с повышением температуры. По словам скептиков, если винить в повышении температуры увеличение выбросов СО₂ , то температура должна была подняться в течение послевоенного экономического бума, когда ископаемое топливо сжигалось в огромных количествах. Однако Джерри Мэлмен, директор Геофизической лаборатории динамики жидкостей, вычислил, что увеличение использование угля и масел быстро увеличило содержание серы в атмосфере, вызывая похолодание. После 1970 года термический эффект длинного жизненного цикла СО₂ и метана подавил быстро распадающиеся аэрозоли, вызывая повышение температуры. Таким образом, можно заключить, что влияние диоксида углерода на интенсивность парникового эффекта огромно и неоспоримо.

Однако  увеличивающийся парниковый эффект может не быть катастрофическим. В  самом деле, высокие температуры  могут приветствоваться там, где  они достаточно редки. С 1900 года наибольшее потепление наблюдается от 40 до 70 ⁰ северной широты, включая Россию, Европу, северную часть США, где раньше всего начинались промышленные выбросы парниковых газов. Большая часть потепления относится к ночному времени, прежде всего, из-за увеличения облачного покрова, который задерживал исходящее тепло. Как следствие посевной сезон увеличился на неделю [3,c.235].

  Более того парниковый эффект  может быть хорошей новостью  для некоторых фермеров. Высокая  концентрация СО₂ может иметь положительный эффект на растения, так как растения используют углекислый газ в процессе фотосинтеза, превращая его в живую ткань. Следовательно, больше растений означает больше поглощения СО₂ из атмосферы, замедляя глобальное потепление.

Это явление было исследовано американскими  специалистами. Они решили создать модель мира с двойным содержанием СО₂ в воздухе. Для этого они использовали четырнадцатилетний сосновый лес в Северной Калифорнии. Газ нагнетался через трубки, установленные среди деревьев. Фотосинтез увеличился на 50-60 %. Но эффект вскоре стал обратным. Задыхающиеся деревья не справлялись с таким объемом углекислого газа. Преимущество в процессе фотосинтеза было потеряно. Это еще один пример как человеческие манипуляции приводят к неожиданным результатам.