Парниковый эффект

1. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И СУЩНОСТЬ ПАРНИКОГОВО ЭФФЕКТА

 

1. Исторические сведения

 

Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли, при этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).

При рассмотрении влияния атмосферы на радиационный баланс Фурье проанализировал опыт М. де Соссюра с зачернённым изнутри сосудом, накрытым стеклом. Де Соссюр измерял разность температур внутри и снаружи такого сосуда, выставленного на прямой солнечный свет. Фурье объяснил повышение температуры внутри такого «мини-парника» по сравнению с внешней температурой действием двух факторов: блокированием конвективного теплопереноса (стекло предотвращает отток нагретого воздуха изнутри и приток прохладного снаружи) и различной прозрачностью стекла в видимом и инфракрасном диапазоне.

Именно последний фактор и получил в позднейшей литературе название парникового эффекта — поглощая видимый свет, поверхность нагревается и испускает тепловые (инфракрасные) лучи; поскольку стекло прозрачно для видимого света и почти непрозрачно для теплового излучения, то накопление тепла ведёт к такому росту температуры, при котором количество проходящих через стекло тепловых лучей достаточно для установления теплового равновесия.

Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в инфракрасном диапазоне ниже, чем прозрачность в диапазоне оптическом.

 

2. Сущность парникового эффекта

       Человеческая деятельность может привести к нагреву земного шара сверх придельно допустимых возможностей. Есть противоположенные мнения, что климат Земли изменяется, наоборот, в сторону похолодания. И, вообще, в последние годы метеорологи разных стран приходят к выводу, что во всеобъемлющей системе погоды на земном шаре что-то расстроилось. По их мнению, климат на земле начинает меняться не в лучшую сторону. Некоторые метеорологи считают, что приближается всеобщая стихийная катастрофа, которую будет трудно предотвратить. Чего опасаться нам: засухи, не- урожая, голода или, наоборот, расчитывать на постепенное улучшение погоды и возвращение к климатическим условиям первой половины 20-ого века, считающимся наилучшими в мировой истории.                                 Большинство ученых сходятся во мнении, что атмосфера тем не менее скорее не охлаждается, а нагревается. Причиной тому – грандиозные изменения, произведенные человеком. Сейчас, как утверждают метеорологи, человеческая деятельность становится все более важным фактором, влияющим на климатический баланс Земли. Причиной тому могут служить разные факторы, однако, многие ученые связывают это с парниковым эффектом.

1.2.1 Парниковый эффект

       Многолетние наблюдения показывают, что в результате хозяйственной

деятельности изменяется газовый состав и запыленность нижних слоев атмосферы. С распаханных земель во время пыльных бурь поднимаются в воздух миллионы тонн частиц почвы. При разработке полезных ископаемых, при производстве цемента, при внесении удобрений и трении автомобильных шин о дорогу, при сжигании топлива и выбросе отходов промышленных производств в атмосферу попадает большое количество взвешенных частиц разнообразных газов. Определения состава воздуха показывают, что сейчас в атмосфере Земли углекислого газа стало на 25% больше, чем 200 лет назад. Это ,безусловно, результат хозяйственной деятельности человека, а также вырубки лесов, зеленые листья которых поглощают углекислый газ.

      С повышением концентрации углекислого газа в воздухе связан парниковый эффект, который проявляется в нагреве внутренних слоев атмосферы Земли. Это происходит потому, что атмосфера пропускает основную часть излучения Солнца. Часть лучей поглощается и нагревает земную поверхность, а от нее нагревается атмосфера. Другая часть лучей отражается от поверхности Планеты и это излучение поглощается молекулами углекислого газа, что способствует повышению средней температуры Планеты. Действие парникового эффекта анaлогично действию стекла в оранжерее или

парнике ( от этого возникло название " парниковый эффект").

1.2.2 Парниковые газы

        Рассмотрим, что происходит с телами в стеклянной оранжерее. Излучение высокой энергии проникает в оранжерею через стекло. Оно поглощается телами внутри оранжереи. Затем они сами испускают излучение более низкой энергии, поглощаемое стеклом. Стекло посылает часть этой энергии обратно, снабжая объекты внутри дополнительным теплом. Точно таким же образом земная поверхность получает дополнительное тепло по мере того, как "парниковые" газы поглощают, а затем выделяют излучение более низкой энергии. Газы, вызывающие своей повышенной концентрацией парниковый эффект, называют парниковыми газами. В основном это углекислый газ и водяной пар, но существуют и другие газы, поглощающие энергию, исходящую от Земли. Например, хлорфтор содержащие углеводородные газы, например, фреоны или хладоны.

Концентрация этих газов в атмосфере также увеличивается.

 

1.2.3 Природный газ

       Природный газ, используемый в энергетике, относится к невозобновляемым энергетическим ресурсам, в то же время это наиболее экологически чистый вид традиционного энергетического топлива. Природный газ на 98% состоит из метана, остальные 2% приходятся на этан, пропан, бутан и некоторые другие вещества. При сжигании газа единственным действительно опасным загрязнителем атмосферы

является смесь оксидов азота.

       На тепловых электростанциях и в отопительных котельных использующих, природный газ, выбросов углекислого газа, способствующего парниковому эффекту, вдвое меньше, чем на угольных энергетических установках, вырабатывающих тоже количество энергии.

Применение сжиженного и сжатого природного газа на автомобильном транспорте дает возможность значительно снизить загрязнение среды обитания и улучшить качество воздуха в городах, то есть "затормозить" парниковый эффект. По сравнению с нефтью, природный газ не дает такого загрязнения среды в процессе добычи и транспортировки к месту потребления. Запасы природного газа в мире достигают 70 триллионов кубических метров. При сохранении нынешних объемов добычи их хватит более, чем на 100 лет. Газовые месторождения встречаются как отдельно, так и в соединении с нефтью, водой, а также в твердом состоянии (так называемые газогидратные скопления). Большинство месторождений природного газа располагаются в труднодоступных и экологически ранимых районах Заполярной тундры. Хотя природный газ и не вызывает парниковый эффект, его можно отнести к "парниковым" газам, так как при его использовании выделяется углекислый газ, способствующий парниковому эффекту.

1.2.4 Углекислый  газ

Углекислый газ - диоксид углерода, постоянно образуется в природе при

окислении органических веществ: гниении растительных и животных остатков, дыхании, сжигании топлива. Парниковый эффект происходит из-за нарушения человеком круговорота углекислого газа в природе. Промышленность сжигает огромное количество топлива- нефти, угля, газа. Все эти вещества состоят в основном из углерода и водорода. Поэтому их еще называют органическим, углеводородным топливом.

При горении, как известно, поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Вследствие этого процесса, каждый год человечество выбрасывает в атмосферу 7 миллиардов тонн углекислого газа! Даже представить трудно себе эту величину.

      Одновременно с этим на Земле вырубаются леса - один из самых главных

потребителей углекислого газа, причем, вырубаются со скоростью 12 гектаров в минуту!!! Вот и получается, что углекислого газа в атмосферу поступает все больше и больше, а потребляется растениями все меньше и меньше.

       Круговорот углекислого газа на Земле нарушается, поэтому в последние годы содержание углекислого газа в атмосфере хотя и медленно, но верно

увеличивается. А чем его больше, тем сильнее парниковый эффект.

1.2.5 Хлорфторсодержащие газы

      Галогены или хлорфторсодержащие газы широко применяются в химической промышленности. Фтор используют для получения некоторых ценных фторпроизводных, например, смазочных веществ, выдерживающих высокую температуру, пластмасс, стойких к химическим реагентам (тефлон), жидкостей для холодильных машин(фреонов или хладонов). Фреон выделяется также аэрозолями и холодильными машинами. Считается также, что фреон разрушает озоновый слой в атмосфере. Один из самых распространенных фреонов-дифтордихлорэтан (фреон-12) - газ, не

ядовит, не реагирует с металлами, без цвета и запаха. Под давлением легко

сжижается и превращается в жидкость с температурой кипения - 30градусов по Цельсию. Применяется в холодильных установках и как растворитель для

образования аэрозолей. Хлор служит для приготовления многочисленных

органических и неорганических соединений. Его применяют в производстве

соляной кислоты, хлорной извести, гипохлоритов и хлоратов и др. Большое

количество хлора используется для отбеливания тканей и целлюлозы, идущей на изготовление бумаги.

       Хлор применяют также для стерилизации питьевой воды и    обеззараживание сточных вод. В цветной металлургии его используют для хлорирования руд, которое является одной из стадий получения некоторых металлов. Особенно большое

значение приобрели за последнее время некоторые хлорорганические продукты.

      Например, хлорсодержащие органические растворитель-дихлорэтан,

четыреххлористый углерод, широко применяются для экстракции жиров и

обезжиривание металлов. Некоторые хлорорганические продукты служат

эффективными средствами борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. На основе хлорорганических продуктов изготовляют различные пластические массы, синтетические волокна, каучуки, заменители кожи(павинол). Так как хлорфторсодержащие газы широко используются в промышленности, их добыча непрерывно растет, а, значит, также растут и выбросы в атмосферу этих газов.

       Хлорфторсодержащие газы - "парниковые газы", следовательно, из-за повышения их концентрации в атмосфере процесс парникового эффекта идет быстрее. Кроме того фреоны, относящиеся к хлорфторсодержащим газам, разрушают озоновый слой в атмосфере. Из этих газов делают ядохимикаты, которые хотя и борются с сельскохозяйственными вредителями, но и нарушают экологический баланс.

Содержание озона в стратосфере также воздействует на климат. Поглощение

озоном ультрафиолетовой радиации приводит к нагреванию определенных слоев воздуха высоко в стратосфере. Эти слои не позволяют газообразным примесям проникать в толщу стратосферы. Тепловая «шапка» - важный фактор формирования тропосферного воздуха, а следовательно и климата Земли. По этому, любые виды человеческой деятельности, приводящие к уменьшению среднего содержания озона в стратосфере, могут иметь весьма серьезные отдаленные последствия для климата, здоровья людей, состояния всей живой природы.

2. 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., 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 «до индустриального» уровня (то есть относительно того давнего периода, когда промышленность еще не начала выбрасывать в атмосферу парниковые газы). Средняя оценка колеблется в районе трех градусов.