Парниковый эффект атмосферы. Газы с парниковым эффектом

В последние десятилетия мы всё чаще слышим о проблеме глобального потепления и парникового эффекта. Политики, учёные, журналисты ведут споры о том, какие изменения климата ждут нас в ближайшем будущем, к чему это приведёт и насколько причастен к этому сам человек. В этом посте мы попробуем разобраться в причинах и последствиях парникового эффекта.

Почему говорят о парниковом эффекте?

В 19 веке учёные начали вести регулярные наблюдения за погодой и климатом по всей планете. Но на самом деле, используя различные методы, можно установить, как изменялась температура на планете и в более отдалённом прошлом. И вот, во второй половине 20 века учёные стали получать тревожащие данные — глобальная температура на нашей планете начала расти. И чем ближе к современности, тем сильнее этот рост.

Рост глобальной температуры на графике

Конечно, климатические условия на нашей планете менялись и в прошлом. Были и глобальные потепления, и глобальные похолодания, но у нынешнего глобального потепления есть ряд особенностей. Во-первых, имеющиеся данные указывают, что за последние 1-2 тысячи лет климат на планете не претерпевал резких изменений, за исключением кратковременных аномалий. А во-вторых, есть немало причин считать, что текущее потепление — это не естественные изменения климата, а изменения, вызванные деятельностью человека.

По данному поводу существует немало споров. Вскоре после того, как заговорили о том, что человек вызывает глобальное потепление, появилось немало скептиков. Они стали сомневаться, что деятельность человека может повлиять на столь глобальные процессы, как климат на всей планете. Тем не менее, существуют весомые причины утверждать, что в происходящем глобальном потеплении виноват именно человек. Как же люди вызвали глобальное потепление?

В 19 веке мир вступил в индустриальную эпоху. Появление фабрик и транспорта потребовало множество топлива. Люди стали добывать миллионы тонн каменного угля, нефти и газа и сжигать их во всё более возрастающих количествах. В результате в атмосферу стало поступать огромное количество углекислого газа и других газов, вызывающих парниковый эффект.

А вместе с ростом содержания этих газов стала расти и глобальная температура. Но почему рост концентрации углекислого газа ведёт к потеплению? Попробуем разобраться.

Что такое парниковый эффект?

Люди давно научились выращивать овощи в парниках, где можно собирать урожай, не дожидаясь наступления тёплого времени года. Почему же в парнике тепло весной или даже зимой? Конечно, парник можно специально обогревать, но дело не только в этом. Через стекло или плёнку, которыми покрыт парник, солнечные лучи проникают свободно, нагревая землю внутри. Нагретая земля также испускает излучение, отдавая вместе с этим излучением тепло, но это излучение не видимое, а инфракрасное. А вот для инфракрасного излучение стекло или плёнка непрозрачны и задерживают его. Таким образом отдать парнику тепло сложнее, чем его получить, и в результате температура внутри парника оказывается выше, чем на открытой местности.

Похожее явление наблюдается и на всей нашей планете в целом. Земля укрыта атмосферой, которая легко пропускает солнечное излучение к поверхности, однако инфракрасное излучение обратно в космос от нагретой земной поверхности пропускает хуже. И то, насколько сильно задерживает атмосфера инфракрасное излучение, зависит от содержания в ней парниковых газов. Чем больше парниковых газов, и особенно главного из них — углекислого, тем больше атмосфера мешает остыванию планеты и тем теплее становится климат.

К каким последствиям может привести парниковый эффект?

Конечно, дело не в самом парниковом эффекте, а в том, насколько он сильный. Какое-то количество парниковых газов в атмосфере всегда содержалось, и если бы они исчезли из атмосферы совсем, нам бы не поздоровилось. Ведь при нулевом парниковом эффекте, согласно расчётам учёных, температура на планете опустилась бы на 20-30 °С. Земля бы замёрзла и покрылась бы ледниками практически до экватора. Однако и усиление парникового эффекта ни к чему хорошему не приведёт.

Изменение глобальной температуры всего на несколько градусов приведёт (и согласно некоторым наблюдениям, уже приводит) к серьёзным последствиям. Какие же это последствия?

1) Глобальное таяние ледников и повышение уровня океана. В ледниках Гренландии и Антарктиды сосредоточены достаточно большие запасы льда. Если этот лёд растает в результате глобального потепления, уровень мирового океана повысится. Если растает весь лёд, уровень океана поднимется на 65 метров. Много это или мало? На самом деле довольно много. Повышения уровня моря на 1 м достаточно, чтобы утонула Венеция, на 6 м — чтобы утонул Петербург. При таянии всех ледников Чёрное море соединится с Каспийским, утонет значительная часть Поволжья и Западной Сибири. Под водой скроются территории, на которых сегодня проживает более миллиарда человек, а США и Китай потеряют 2/3 современного промышленного потенциала.

Карта затопления Европы в результате таяния ледников

2) Погода ухудшится. Существует общая закономерность — чем выше температура, тем больше энергии расходуется на движение воздушных масс, и тем более непредсказуемой становится погода. Усилятся ветры, значительно возрастёт количество и масштаб разных стихийных бедствий, таких, как грозы, торнадо и тайфуны, станут более резкими колебания температуры.

3) Вред для биосферы. Животные и растения и так страдают от деятельности человека, но резкие климатические изменения могут нанести по биосфере ещё более мощный удар. В прошлом глобальные климатические изменения уже приводили к массовым вымираниям, и изменения, вызванные парниковым эффектом, вряд ли окажутся исключением. Живым организмам сложно приспособиться к резким изменениям климата, чтобы они смогли эволюционировать и нормально чувствовать себя в новых условиях, обычно требуются сотни тысяч или даже миллионы лет. Но изменения в биосфере непременно отразятся и на самом человечестве. Например, в последние годы учёные уже поднимают тревогу по поводу массового вымирания пчёл, и главная причина этого вымирания как раз глобальное потепление. Установлено, что повышенная температура внутри улья зимой не позволяет пчелам впадать в полноценную спячку. Они быстро сжигают запасы жира и к весне сильно слабеют. Если потепление продолжится, во многих регионах Земли пчёлы могут и вовсе исчезнуть, что будет иметь самые катастрофические последствия для сельского хозяйства.

Худший сценарий

Описанных выше последствий уже достаточно для того, чтобы забеспокоиться и начать предпринимать меры для остановки глобального потепления. Однако бесконтрольный рост парникового эффекта может запустить поистине убийственный сценарий, который приведёт к гарантированному уничтожению всего живого на нашей планете. Как же это может произойти?

В прошлом на нашей планете содержание парниковых газов в атмосфере и глобальная температура менялись в довольно широких пределах. Однако на долгосрочных временных промежутках процессы, которые приводили к усилению парникового эффекта и его ослаблению, компенсировали друг друга. Например, если содержание CO₂ в атмосфере значительно возрастало, его начинали более активно усваивать и перерабатывать растения и другие живые организмы. Давным-давно огромные количества углекислого газа, захваченные живыми организмами из атмосферы, превратились в каменный уголь, нефть, мел. Но эти процессы заняли миллионы лет. Сегодня же человек, расходуя данные природные ресурсы, возвращает углекислый газ в атмосферу значительно быстрее, и биосфера не успевает его переработать. Более того, в силу своей глупости и жадности загрязняя мировой океан и вырубая леса, человек уничтожает растения, которые усваивают углекислый газ и вырабатывают кислород. По мнению некоторых учёных, это может привести к развитию необратимого парникового эффекта.

Сегодня на усиление парникового эффекта влияет рост углекислого газа, но есть и другие газы, которые этот парниковый эффект могут сделать ещё сильнее, намного сильнее. Среди таких газов — метан и водяной пар. Что касается метана, то некоторое его количество попадает в атмосферу при добыче природного газа, вносит свой вклад и животноводство. Но главная опасность — огромные запасы метаны, которые сегодня находятся на дне океанов в форме гидратов. При повышении температуры может начаться распад гидратов, огромное количество метана попадёт в атмосферу, и парниковый эффект резко усилится. Рост парникового эффекта примет необратимый характер. Чем сильнее будет парниковый эффект, тем больше метана и водяного пара попадёт в атмосферу, а чем больше их попадёт в атмосферу, тем сильнее станет парниковый эффект.

К чему всё это может привести в конечном итоге, показывает пример Венеры. Эта планета очень близка по размерам и массе к Земле, и до полётов к этой планете космических аппаратов многие надеялись на то, что условия на ней будут близки к земным. Однако всё оказалось совсем иначе. На поверхности Венеры жуткая жара — 460 °С. При такой температуре плавятся цинк, олово и свинец. И главная причина таких экстремальных условий на Венере не в том, что она находится ближе к Солнцу, а в парниковом эффекте. Именно парниковый эффект повышает температуру на поверхности этой планеты почти на 500 градусов!

Венера и Земля

По современным представлениям, несколько сотен миллионов лет назад на Венере произошёл «парниковый взрыв». В какой-то момент парниковый эффект принял необратимый характер, вся вода вскипела и испарилась, а температура поверхности достигла настолько высоких значений (1200-1500 °С), что расплавились камни! Постепенно испарившаяся вода распалась на кислород и водород и улетучилась в космос, и Венера остыла, однако и сегодня эта планета — одно из самых неблагоприятных для жизни мест в Солнечной системе. Произошедшая с Венерой катастрофа — не просто гипотеза учёных, то, что она действительно произошла, подтверждается молодым возрастом поверхности Венеры, а также аномально высоким отношением дейтерия к водороду в венерианской атмосфере, которое в сотни раз превышает земное.

Что же в итоге? Похоже у человечества нет иного выхода, как бороться с парниковым эффектом. А для этого надо изменить хищническое отношение к природе, перестать бесконтрольно сжигать ископаемое топливо и вырубать леса.

Парниковый эффект – способность (газов в атмосфере) в большей степени пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию по сравнению с тепловым излучением, испускаемым нагретой Солнцем Землей. В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна плюс 15°С, а без парникового эффекта она была бы минус 18°! Парниковый эффект – один из механизмов жизнеобеспечения на Земле.

Деятельность человека за последние 200 лет, и в особенности после 1950 г., привели к продолжающемуся и в настоящее время повышению концентрации в атмосфере газов, обладающих парниковым эффектом. Неизбежно последовавшая за этим реакция атмосферы заключается в антропогенном усилении естественного парникового эффекта. Суммарное антропогенное усиление парникового эффекта +2,45 ватт/м2 (Международный Комитет по изменению климата IPCC).

Парниковый эффект каждого из таких газов зависит от трех основных факторов:

а) ожидаемого парникового эффекта на протяжении ближайших десятилетий или веков (например, 20, 100 или 500 лет), вызываемого единичным объемом газа, уже поступившим в атмосферу, по сравнению с эффектом от углекислого газа, принимаемым за единицу;

б) типичной продолжительности его пребывания в атмосфере, и

в) объема эмиссии газа.

Комбинация первых двух факторов носит название “Относительный парниковый потенциал” и выражается в единицах от потенциала СО2.

Газы с парниковым эффектом:

Роль водяного пара , содержащегося в атмосфере, в общемировом парниковом эффекте велика, но трудно определима однозначно. При потеплении климата содержание водяного пара в атмосфере будет увеличиваться, тем самым усиливая парниковый эффект.

Диоксид углерода, или углекислый газ (СО2) (64% в парниковом эффекте), отличается, по

сравнению с другими парниковыми газами, относительно низким потенциалом парникового эффекта, но довольно значительной продолжительностью существования в атмосфере – 50–200 лет и сравнительно высокой концентрацией. Концентрация углекислого газа в атмосфере в период с 1000 по 1800 гг. составляла 270–290 частей на миллион по объему (ppmv), а к 1994 г. она достигла 358 ppmv и продолжает расти. Может достигнуть 500 ppmv к концу XXI века. Стабилизация концентрации может быть достигнута посредством значительного сокращения объема выбросов. Основной источник поступления углекислого газа в атмосферу – сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии.

Источники СО2

(1) Поступление в атмосферу вследствие сжигания горючих ископаемых и производства цемента 5,5±0,5

(2) Поступление в атмосферу вследствие трансформации ландшафтов в тропической и экваториальной зонах, деградация почв 1,6±1,0

Поглощение различными резервуарами

(3) Аккумуляция в атмосфере 3,3±0,2

(4) Аккумуляция Мировым океаном 2,0±0,8

(5) Аккумуляция в биомассе Северного полушария 0,5±0,5

(6) Остаточный член баланса , объясняемый поглощением СО2 экосистемами суши (фертилизация и др.) = (1+2)-(3+4+5)=1,3±1,5

Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере должно стимулировать процесс фотосинтеза. Это так называемая фертилизация, благодаря которой, по некоторым оценкам, продукция органического вещества может возрасти на 20–40 % при удвоенной по сравнению с современной концентрацией углекислого газа.

Метан (СН4) - 19 % от общей его величины парниковых газов (на 1995 г.). Метан образуется в анаэробных условиях, таких как естественные болота разного типа, толща сезонной и вечной мерзлоты, рисовые плантации, свалки, а также в результате жизнедеятельности жвачных животных и термитов. Оценки показывают, что около 20% суммарной эмиссии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного

газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60–80 % суммарной эмиссии метана в атмосферу. В атмосфере метан неустойчив. Он удаляется из нее вследствие взаимодействия с ионом гидроксила (ОН) в тропосфере. Несмотря на этот процесс, концентрация метана в атмосфере увеличилась примерно вдвое по сравнению с доиндустриальным временем и продолжает расти со скоростью около 0,8 % в год.

Рост температуры и увеличение увлажненности (то есть продолжительности нахождения территории в анаэробных условиях) еще более усиливают эмиссию метана. Это характер-

ный пример положительной обратной связи. Наоборот, снижение уровня грунтовых вод из-за пониженной увлажненности должно приводить к уменьшению эмиссии метана (отрицательная обратная связь).

Текущая роль оксида азота (N2O) в суммарном парниковом эффекте составляет всего около 6%. Концентрация оксида азота в атмосфере также увеличивается. Предполагается, что его антропогенные источники приблизительно вдвое меньше естественных. Источниками антропогенного оксида азота является сельское хозяйство (в особенности пастбища в тропиках), сжигание биомассы и промышленность, производящая азотсодержащие вещества. Его относительный парниковый потенциал (в 290 раз

выше потенциала углекислого газа) и типичная продолжительность существования в атмосфере (120 лет) значительны, компенсируя его невысокую концентрацию.

Хлорфторуглероды (ХФУ) – это вещества, синтезируемые человеком, и содержащие хлор, фтор и бром. Они обладают очень сильным относительным парниковым потенциалом и значительной продолжительностью жизни в атмосфере. Их итоговая роль в парниковом эффекте составляет 7%. Производство хлорфторуглеродов в мире в настоящее время контролируется международными соглашениями по защите озонового слоя, включающими и положение о постепенном снижении производства этих веществ, замене их на менее озонразрушающие с последующим полным его прекращением. В результате концентрация ХФУ в атмосфере начала сокращаться.

Озон (О3) – важный парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Он влияет как на коротковолновую, так и на длинноволновую радиацию, и потому итоговые направление и величина его вклада в радиационный баланс в сильной степени зависят от вертикального распределения содержания озона, в особенности на уровне тропопаузы. Оценки указывают на положительную результирующую +0,4 ватт/м2.

Введение

1. Парниковый эффект: исторические сведения и причины

1.1. Исторические сведении

1.2. Причины

2. Парниковый эффект: механизм образования, усиление

2.1. Механизм парникового эффекта и его роль в биосферных

процессах

2.2. Усиление парникового эффекта в индустриальную эпоху

3. Последствия усиления парникового эффекта

Заключение

Список использованной литературы

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 0,5 градуса 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.

1. Парниковый эффект: исторические сведения и причины

1.1. 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.

1.2. Причины

Суть парникового эффекта состоит в следующем: Земля получает энергию от Солнца, в основном, в видимой части спектра, а сама излучает в космическое пространство, главным образом, инфракрасные лучи.

Однако многие содержащиеся в ее атмосфере газы - водяной пар, СО2, метан, закись азота и т. д. - прозрачны для видимых лучей, но активно поглощают инфракрасные, удерживая тем самым в атмосфере часть тепла.

В последние десятилетия содержание парниковых газов в атмосфере очень сильно выросло. Появились и новые, ранее не существовавшие вещества с "парниковым" спектром поглощения - прежде всего фторуглеводороды.

Газы, вызывающие парниковый эффект, - это не только диоксид углерода (CO2). К ним также относятся метан (CH4), закись азота (N2O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), гексафторид серы (SF6). Однако именно сжигание углеводородного топлива, сопровождающееся выделением CO2, считается основной причиной загрязнения.

Причина быстрого роста количества парниковых газов очевидна, - человечество сейчас сжигает за день столько ископаемого топлива, сколько его образовывалось за тысячи лет в период образования месторождений нефти, угля и газа. От этого «толчка» климатическая система вышла из «равновесия» и мы видим большее число вторичных негативных явлений: особо жарких дней, засух, наводнений, резких скачков погоды, причем именно это и наносит наибольший урон.

Согласно прогнозам исследователей, если ничего не предпринимать, мировые выбросы CO2 в течение ближайших 125 лет вырастут вчетверо. Но нельзя забывать и о том, что значительная часть будущих источников загрязнения еще не построена. За последние сто лет температура в северном полушарии увеличилась на 0,6 градуса. Прогнозируемый рост температуры в следующем столетии составит от 1,5 до 5,8 градусов. Наиболее вероятный вариант - 2,5-3 градуса.

Однако изменения климата - это не только повышение температуры. Изменения касаются и других климатических явлений. Не только сильная жара, но и сильные внезапные заморозки, наводнения, сели, смерчи, ураганы объясняют эффектами глобального потепления. Климатическая система слишком сложна, чтобы ожидать от нее равномерного и одинакового изменения во всех точках планеты. И главную опасность ученые видят сегодня именно в росте отклонения от средних значений - значительных и частых колебаний температуры.

2. Парниковый эффект: механизм, усиление

2.1 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 400-1500 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., 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.

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 количества СО2 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 почти 100°С, а температура воды в Мировом океане приближалась к точке кипения ("сверхпарниковый" эффект). С появлением фотосинтезируюших 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 СО2 возрастает продуктивность наземной растительности.

Говоря о парниковом эффекте, сразу представляется большая теплица, ласковые лучики солнца, проникающие сквозь стекло, ярко-зеленые грядки и достаточно высокая температура внутри, когда на улице еще правит зима. Да, это действительно так, наиболее наглядно этот процесс можно сравнить с тем, что происходит в парнике. Только в роли стекла представлены парниковые газы, которых много в атмосфере, они пропускают и удерживают тепло в нижних воздушных слоях, обеспечивая рост растений и жизнь людей. Сегодня, все чаще, парниковый эффект называют экологическим термином, ставшим катастрофой. Таким образом, природа взывает о помощи, а если ничего не предпринимать, у человечества останется всего 300 лет до неизбежного конца света. Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда, без него невозможно нормальное существование живых организмов и растений, да и комфортным климатом мы обязаны именно ему. Проблема в том, что пагубная деятельность человека приняла такие масштабы, которые уже не могут проходить без следа, затрагивая глобальные, необратимые изменения в экологии. А чтобы выжить, населению нашей Планеты нужна такая же глобальная солидарность в решении этого серьезного вопроса.

Сущность парникового эффекта, его причины и последствия

Жизнедеятельность человечества, сжигание миллионов тонн топлива, усиленное потребление энергии, увеличение автопарка, значительный рост количества отходов, объемов производств и так далее, ведет к усилению концентрации парниковых газов в земной атмосфере. Статистика показывает, что за последние двести лет в воздухе углекислого газа стало на 25% больше, за всю геологическую историю такого еще не было. Таким образом, над Землей образуется своеобразный газовый колпак, который задерживает обратное тепловое излучение, возвращая его обратно и приводя к климатическому дисбалансу. С ростом средней температуры у поверхности Земли, возрастает и количество осадков. Вспомните, что на стекле в оранжерее или парнике всегда выступает конденсат, в естественной природе это происходит аналогично. Точно вычислить все губительные последствия этого невозможно, но ясно одно, человек затеял опасную игру с природой, нужно срочно одуматься, чтобы предотвратить экологическую катастрофу.

К причинам, вызывающим обострение парникового эффекта в атмосфере, относят:
- хозяйственную деятельность, которая меняет газовый состав и вызывает запыленность нижних воздушных слоев Земли;
- сжигание углеродосодержащих видов топлива, уголь, нефть и газ;
- выхлопные газы автомобильных двигателей;
- функционирование теплоэлектростанций;
- сельское хозяйство, связанное с излишним гниением и переизбытком удобрений, значительным приростом поголовья скота;
- добычу природных ископаемых;
- выброс отходов быта и промышленных производств;
- вырубку лесов.

Удивительно, но факт, что воздух уже перестал быть возобновляемым природным ресурсом, каковым оставался до начала интенсивной человеческой деятельности.

Последствия парникового эффекта

Самым опасным последствием парникового эффекта считается глобальное потепление, которое ведет к нарушению теплового баланса на Планете в целом. Уже сегодня каждый из нас ощутил среднее увеличение температуры на себе, феноменальная жара в летние месяцы и внезапные оттепели в середине зимы, это пугающий феномен, как следствие глобального загрязнения атмосферы. А засухи, кислотные дожди, суховеи, смерчи, ураганы и другие стихийные катаклизмы, в наши дни стали страшной нормой жизни. Данные ученых свидетельствуют о далеко не утешающих прогнозах, каждый год температура возрастает почти на один градус, а то и больше. В связи с этим усиливаются тропические ливни, растут границы засушливых территорий и пустынь, начинается бурное таяние ледников, исчезают площади вечной мерзлоты и значительно сокращаются территории тайги. А это значит, что резко снизятся урожаи, обжитые площади затопятся водой, многие животные не смогут приспособиться к быстро меняющимся условиям, поднимется уровень Мирового океана и изменится общий водно-солевой баланс. Страшно, но нынешнее поколение может оказаться свидетелями самого быстрого потепления на Планете Земля. Но, как показывает мировая практика, для некоторых уголков глобальное потепление несет и положительный эффект, давая возможность развиваться сельскому хозяйству и скотоводству, эта ничтожная польза теряется на фоне массового отрицательного воздействия. Вокруг парникового эффекта бушуют дебаты, проводятся исследования и испытания, люди ищут пути снижения его губительного влияния.

Современные способы решения проблемы

Выход из сложившейся ситуации один: изыскать новый вид топлива, либо в корне поменять технологию использования существующих разновидностей топливных ресурсов. Уголь и нефть при сгорании выделяют на 60% больше диоксида углерода, активного парникового газа, чем любое другое топливо для производства единицы энергии.

Что нужно сделать, чтобы убежать от угрозы парникового эффекта:
- сократить потребление ископаемого топлива, особенно угля, нефти и природного газа;
- использовать специальные фильтры и катализаторы для удаления диоксида углерода из всех выбросов в атмосферу;
- повысить энергетический КПД теплоэлектростанций за счет использования скрытых экологичных резервов;
- увеличить использование альтернативных источников энергии, ветра, солнца и так далее;
- прекратить вырубку зеленых насаждений и наладить целенаправленное озеленение;
- остановить всеобщее загрязнение Планеты.

Сейчас идет активное обсуждение таких мер снижения антропогенного воздействия, как регулярное удаление углекислого газа из атмосферы, путем использования высокотехнологичных устройств, сжижать и нагнетать его в воды Мирового океана, тем самым приблизиться к естественной циркуляции. Пути решения проблемы есть, главное, взяться за это всем вместе, населению, правительству и подрастающему поколению, и провести огромную, но такую полезную, работу по очищению матушки-Земли. Пора прекратить потребительское отношение и начать вкладывать силы и время в свое будущее, светлую жизнь следующих поколений, пришло время отдавать природе то, что мы у нее регулярно забираем. Нет, сомнения, что гениальное и предприимчивое человечество справится и с этой, очень сложной и ответственной, задачей.

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.

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 СО 2 к имеющимся 750 миллиардам тонн. Но только около половины наших выбросов - 3 миллиарда тонн - остаются в воздухе. Это можно объяснить тем, что большая часть СО 2 используется земными и морскими растениями, хоронится в морских осадочных породах, поглощается морской водой или по другому абсорбируется. Из этой большой части СО 2 (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 СО 2 ? 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.

Некоторые ученые также не связывают увеличение объема СО 2 с повышением температуры. По словам скептиков, если винить в повышении температуры увеличение выбросов СО 2 , 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 СО 2 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.

Более того парниковый эффект может быть хорошей новостью для некоторых фермеров. Высокая концентрация СО 2 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 СО 2 из атмосферы, замедляя глобальное потепление.

Это явление было исследовано американскими специалистами. Они решили создать модель мира с двойным содержанием СО 2 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.

Но эти небольшие положительные аспекты парникового эффекта не идут ни в какое сравнение с отрицательными. Взять хотя бы опыт с сосновым лесом, где объем СО 2 был увеличен вдвое, а к концу этого века прогнозируется увеличение концентрации СО 2 в четыре раза. Можно представить какими катастрофическими могут быть последствия для растений. А это в свою очередь повысит объем СО 2 , так как чем меньше растений, тем больше концентрация СО 2 .

Последствия парникового эффекта

парниковый эффект газы климат

С повышением температуры увеличится испарение воды из океанов, озер, рек и т.д. Так как нагретый воздух может содержать в себе больший объем водяного пара, это создает мощный эффект обратной связи: чем теплее становится, тем выше содержание водяного пара в воздухе, а это, в свою очередь, увеличивает парниковый эффект.

Человеческая деятельность мало влияет на объем водяного пара в атмосфере. Но мы выбрасываем другие парниковые газы, что делает парниковый эффект все более и более интенсивным. Ученые считают, что увеличение объема выбросов СО 2 , в основном от сжигания ископаемого топлива, объясняет, по крайней мере, около 60 % потепления на Земле, наблюдавшегося с 1850 года. Концентрация диоксида углерода в атмосфере возрастает примерно на 0,3 % в год, и сейчас составляет примерно на 30 % выше, чем до индустриальной революции. Если это выразить в абсолютных измерителях, то каждый год человечество добавляет примерно 7 миллиардов тонн. Несмотря на то, что это небольшая часть по отношению ко всему количеству углекислого газа в атмосфере - 750 миллиардов тонн, и еще меньшая по сравнению с количеством СО 2 , содержащимся в Мировом океане - примерно 35 триллионов тонн, она остается весьма значительной. Причина: естественные процессы находятся в равновесии, в атмосферу поступает такой объем СО 2 , который оттуда изымается. А человеческая деятельность только добавляет СО 2 .

Возможно, будет полезно почитать: