03.04.2012 - Парниковый эффект

Парниковый эффект – это  задержка атмосферой Земли теплового излучения планеты. Парниковый эффект наблюдал любой из нас: в теплицах или парниках температура всегда выше, чем снаружи. То же самое наблюдается и в масштабах Земного шара: солнечная энергия, проходя через атмосферу нагревает поверхность Земли, но излучаемая Землей тепловая энергии не может улетучиться обратно в космос, так как атмосфера Земли задерживает ее, действуя наподобие полиэтилена в парнике: она пропускает короткие световые волны от Солнца к Земле и задерживает длинные тепловые (или инфракрасные) волны, излучаемые поверхностью Земли. Возникает эффект парника. Парниковый эффект возникает из-за наличия в атмосфере Земли газов, которые обладают способностью задерживать длинные волны. Они получили название «парниковых» или «тепличных» газов.

Парниковые газы присутствовали в атмосфере в небольших количествах (около 0,1%) с момента ее образования. Этого количества было достаточно, чтобы поддерживать за счет парникового эффекта тепловой баланс Земли на уровне, пригодном для жизни. Это так называемый естественный парниковый эффект, не будь его средняя температура поверхности Земли была бы на 30°С меньше, т.е. не +14° С, как сейчас, а -17° С.

Естественный парниковый эффект ничем не грозит ни Земле, ни человечеству, поскольку общее количество парниковых газов поддерживалось на одном уровне за счет круговорота природы, более того, ему мы обязаны жизнью, при условии, что не нарушается баланс. 

Но увеличение в атмосфере концентрации парниковых газов приводит к усилению парникового эффекта и нарушению теплового баланса Земли.  Именно это и произошло в последние два столетия развития цивилизации. Угольные электростанции, автомобильные выхлопы, заводские трубы и другие созданные человечеством источники загрязнения выбрасывают в атмосферу около 22 миллиардов тонн парниковых газов в год.

Роль парникового эффекта

Большое влияние на климат Земли оказывает состояние атмосферы, в частности, количество водяного пара и углекислого газа, имеющихся в ней. Повышение концентрации водяного пара вызывает увеличение облачности и, следовательно, – уменьшение количества солнечного тепла, поступающего на поверхность. А изменение концентрации углекислого газа СО₂ в атмосфере является причиной ослабления или усиления парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, излучаемое  Землёй в инфракрасном диапазоне спектра с последующим его переизлучением в сторону земной поверхности. В итоге температура поверхности и нижних слоёв атмосферы повышается. Таким образом, явление парникового эффекта существенно влияет на смягчение климата Земли. При его отсутствии средняя температура планеты была бы на 30-40°С ниже, чем есть на самом деле, и составляла бы не +15°С, а -15°С, а то и -25°С. При таких средних значениях температуры океаны очень быстро покрывались бы льдом, превращались в огромные морозильники, а жизнь на планете стала бы невозможной. На количество углекислого газа влияет много факторов, среди которых главные – вулканическая деятельность и жизнедеятельность земных организмов.

Но самое большое воздействие на состояние атмосферы, а, следовательно, и на климат Земли в планетарном масштабе, имеют внешние, астрономические факторы, такие как изменение потоков солнечной радиации вследствие непостоянства солнечной деятельности и изменения параметров земной орбиты. Астрономическая теория колебаний климата была создана ещё в 20-ые годы ХХ века. Установлено, что изменение эксцентриситета орбиты Земли от возможного минимального 0,0163 к возможному максимальному 0,066 может привести к разнице количества солнечной энергии, падающей на поверхность Земли в афелии и перигелии, на 25% за год. В зависимости от того, летом или зимой (для северного полушария) Земля проходит свой перигелий, такая величина изменения потока солнечной радиации может привести к общему потеплению или похолоданию на планете.

Теория дала возможность вычислить время ледниковых периодов в прошлом. С точностью до погрешностей определения геологических дат, век десятка предыдущих обледенений совпал с показаниями теории. Она же позволяет ответить на вопрос, когда должно настать следующее самое близкое обледенение: сегодня мы живём в межледниковую эпоху, и ближайшие 5000-10000 лет оно нам не угрожает.

Что такое парниковый эффект?

Понятие парникового эффекта сформировано в 1863г. Тиндалем.

Бытовым примером парникового эффекта может послужить нагревание изнутри автомобиля, когда он стоит на солнце с закрытыми окнами. Причина здесь в том, что солнечный свет проникает через окна и поглощается сидениями и другими предметами в салоне. При этом световая энергия переходит в тепловую, предметы нагреваются и выделяют тепло в виде инфракрасного, или теплового, излучения. В отличие от света оно не проникает сквозь стёкла наружу, то есть улавливается внутри автомобиля. За счёт этого повышается температура. То же самое происходит и в парниках, откуда и пошло само название этого эффекта парниковый эффект (или оранжерейный эффект). В глобальном масштабе содержащийся в воздухе углекислый газ играет ту же роль, что и стекло. Световая энергия проникает сквозь атмосферу, поглощается поверхностью земли, преобразуется в её тепловую энергию, и выделяется в виде инфракрасного излучения. Однако углекислый газ и некоторые другие газы, в отличие от других природных элементов атмосферы, его поглощают. При этом он нагревается и в свою очередь нагревает атмосферу в целом. Значит, чем больше в ней углекислого газа, тем больше инфракрасных лучей будет поглощено и тем теплее она станет.

Температура и климат, к которому мы привыкли, обеспечиваются концентрацией углекислого газа в атмосфере на уровне 0,03%. Теперь мы увеличиваем эту концентрацию, и намечается тенденция к потеплению климата.
Когда обеспокоенные ученые еще несколько десятилетий назад предупреждали человечество об усилении парникового эффекта и угрозе глобального потепления, сперва на них смотрели как на комических стариков из старинной комедии. Но вскоре стало вовсе не до смеха. Глобальное потепление происходит, и очень быстро. Климат меняется на глазах: невиданная жара в Европе и Северной Америке вызывает не только массовые инфаркты, но и катастрофические наводнения.

В начале 60-ых годов в Томске мороз в 45° был делом обычным. В 70-ые падение столбика термометра ниже отметки 30° мороза уже вызывал смущение в умах сибиряков. Последнее десятилетие всё реже пугает нас такими холодами. Зато нормой у нас стали сильнейшие ураганы, которые разрушают крыши домов, ломают деревья, обрывают линии электропередач. Еще 25 лет назад в Томской области подобные явления были большой редкостью! Убеждать кого-то в том, что глобальное потепление стало фактом, уже не приходится достаточно посмотреть сообщения прессы, отечественной и международной. Жестокие засухи, чудовищные наводнения, ураганные ветры, невиданные доселе бури - теперь все мы стали невольными свидетелями этих явлений. В последние годы в Украине стоит невиданная жара, идут тропические ливни, которые приводят к сокрушительным наводнениям.

Деятельность человечества в начале XXI столетия приводит к стремительному повышению концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, что вызывает угрозу разрушения её озонового слоя и резкого изменения климата, в частности, глобального потепления. Для снижения угрозы глобального экологического кризиса необходимо повсеместно значительно сократить выброс в атмосферу вредных газов. Ответственность за снижение таких выбросов должна быть разделена между всеми членами мирового сообщества, существенно различающимися по многим параметрам: уровню промышленного развития, доходу, социальной структуре и политической ориентации. В силу этих различий неизбежно возникает вопрос, в какой степени национальное правительство должно контролировать выбросы в атмосферу. Дискуссионность данной проблемы усиливается ещё и тем фактом, что до настоящего времени не достигнуто согласия по вопросу о воздействии на окружающую среду возрастающего парникового эффекта. Однако растёт понимание того, что с учётом угрозы глобального потепления со всеми вытекающими из этого разрушительными последствиями ограничение вредных выбросов в атмосферу становится задачей первостепенной важности.

Перед реальной угрозой исчезновения оказываются прибрежные районы Азовского и Черного морей. Катастрофические наводнения, с которыми мы уже имеем дело, тоже будут происходить гораздо чаще. Например, днепровские плотины, в частности Киевская, строились с учетом самых сокрушительных наводнений, когда-либо случавшихся на Днепре.

Быстрый рост промышленных и других загрязняющих атмосферу выбросов привёл к драматическому увеличению парникового эффекта и концентрации газов, разрушающих озоновый слой. Например, с момента начала промышленной революции концентрация в атмосфере углекислого газа СО₂ возросла на 26%, при этом более половины прироста приходится на период с начала 1960-х годов. Концентрация различных газообразных хлоридов, прежде всего разрушающих озоновый слой хлорфторуглеводородов (ХФУ), лишь за 16 лет (с 1975 по 1990 годы) увеличилась на 114%. Уровень концентрации ещё одного газа, участвующего в создании парникового эффекта, метана CH₄, возрос на 143% с начала промышленной революции, в том числе около 30% этого роста приходится на период с начала 1970-х годов. До тех пор, пока не будут приняты безотлагательные меры на международном уровне, быстрый рост населения и увеличение его доходов будут сопровождаться ускорением концентрации этих химических веществ.

С того момента, когда началось тщательное документальное фиксирование данных о погодных условиях, 1980-е годы явились наиболее тёплым десятилетием. Семь из зафиксированных наиболее жарких лет приходились на 1980, 1981, 1983, 1987, 1988, 1989 и 1990 годы, причём самым жарким за всю историю наблюдения был 1990 год. Однако до настоящего времени учёные не могут сказать наверняка, является ли подобное потепление климата тенденцией под воздействием парникового эффекта или же это всего лишь естественные, природные колебания. Ведь климат испытывал и ранее подобные изменения и колебания. В продолжение последнего миллиона лет произошло восемь так называемых ледниковых периодов, когда гигантский ледяной ковер достиг в Европе широт Киева, а в Америке - Нью-Йорка. Последний ледниковый период завершился около 18 тысяч лет назад, и в то время средняя температура была на 5° ниже, нежели сейчас. Соответственно и уровень мирового океана был на 120м ниже нынешнего.

Во время последнего ледникового периода содержание СО₂ в атмосфере падало до 0,200, тогда как для двух последних периодов потепления оно составляло 0,280. Таким оно и было в начале XIX века. Затем оно постепенно стало увеличиваться и достигло нынешнего значения, составляющего примерно 0,347. Из этого следует, что за 200 лет, прошедших с начала Промышленной революции, природный контроль за содержанием углекислого газа в атмосфере с помощью замкнутого цикла между атмосферой, океаном, растительностью и процессами органического и неорганического распада был грубо нарушен.

До сих пор неясно, являются ли указанные параметры потепления климата действительно статически значимыми. Так, например, некоторые исследователи отмечают, что данные, характеризующие потепление климата, существенно ниже показателей, рассчитанных с помощью компьютерных прогнозов на основе данных об уровне выбросов в предшествовавшие годы. Учёные знают, что некоторые виды загрязнителей на самом деле могут замедлять процесс потепления путём отражения в космическое пространство ультрафиолетовых лучей. Так что вопрос о том, происходит ли последовательное изменение климата или же эти изменения носят временный характер, маскирующий долговременное воздействие возрастающего парникового эффекта и разрушения озонового слоя, является дискуссионным. Хотя на статистическом уровне мало доказательств того, что потепление климата устойчивая тенденция, однако оценка потенциальных катастрофических последствий потепления климата вызвала всеобщие призывы к принятию предупредительных мер.

Ещё одним важным проявлением глобального потепления является потепление мирового океана. В 1989 году А. Стронг из Национального управления по исследованиям атмосферы и океана доложил: «Измерения температуры океанической поверхности, произведённые со спутников в период с 1982 по 1988 годы показывают, что мировой океан постепенно, но заметно нагревается примерно на 0,1°С в год». Это чрезвычайно важно, так как из-за своей колоссальной теплоемкости океаны почти не реагируют на случайные климатические изменения. Обнаруженная тенденция к их потеплению доказывает серьёзность проблемы.

Возникновение парникового эффекта:

Очевидная причина возникновения парникового эффекта – использование традиционных энергоносителей промышленность и автомобилистами. К менее очевидным причинам можно отнести сведение лесов, переработку отходов, и добычу угля. Значительно способствуют увеличению парникового эффекта хлорфторуглеводороды (ХФУ), углекислый газ СО₂, метан СН₄ , окислы серы и азота.

Однако наибольшую роль в этом процессе играет всё же углекислый газ, поскольку у него относительно длинный жизненный цикл в атмосфере и во всех странах его объёмы непрестанно возрастают. Источники СО₂ могут быть разделены на две основных категории: промышленное производство и прочие, составляющие соответственно 77% и 23% общего объема его выброса в атмосферу. На всю группу развивающихся стран (примерно 3/4 мировой численности населения) приходится менее 1/3 общего объёма промышленных выбросов СО₂. Если исключить их этой группы стран Китай, то этот показатель снизится примерно до 1/5. Поскольку в более богатых странах уровень доходов, а соответственно и потребления выше, то и объём вредных выбросов в атмосферу на душу населения значительно выше. Например, уровень выбросов на душу населения в США более чем в 2 раза превышает среднеевропейский, в 19 раз среднеафриканский и в 25 раз соответствующий показатель для Индии. Однако в последнее время в развитых странах (в частности, в США) намечается тенденция постепенного сворачивания вредного для окружающей среды и населения производства и перенесения его в менее развитые страны. Таким образом, правительство США заботится о сохранении благоприятной экологической обстановки в своей стране, сохраняя при этом своё экономическое благополучие.

Хотя доля стран третьего мира в промышленных выбросах СО₂ относительно небольшая, на них приходится практически весь объём его прочих выбросов в атмосферу. Основная причина этого применение техники выжигания лесов для вовлечения в сельскохозяйственный оборот новых земель. Показатель объёма выбросов в атмосферу по этой статье рассчитывается следующим образом: предполагается, что весь объём СО₂, содержащийся в растениях, при сжигании попадает в атмосферу. Подсчитано, что на огневое сведение лесов приходится 25% всех выбросов в атмосферу. Наверное, ещё большее значение имеет тот факт, что в процессе сведения лесов уничтожается источник атмосферного кислорода. Влажные тропические леса представляют собой важный механизм самовосстановления экосистемы, поскольку деревья поглощают углекислый газ и выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Уничтожение тропических лесов уменьшает способность окружающей среды поглощать углекислый газ. Таким образом, именно особенности процесса обработки земли в развивающихся странах определяют столь значительный вклад последних в повышение парникового эффекта.

В природной биосфере содержание углекислого газа в воздухе поддерживалось на одном уровне, так как его поступление равнялось удалению. Этот процесс обуславливался круговоротом углерода, в ходе которого количество углекислого газа, извлекаемого из атмосферы фотосинтезирующими растениями, компенсируется за счёт дыхания и горения. В настоящее время люди активно нарушают это равновесие, сводя леса и используя ископаемое топливо. Сжигание каждого его фунта (угля, нефтепродуктов и природного газа) приводит к образованию примерно трёх фунтов, или 2м³, углекислого газа (вес утраивается, поскольку каждый атом углерода топлива в процессе горения и превращения в углекислый газ присоединяет два атома кислорода). Химическая формула горения углерода выглядит следующим образом:

С + О₂  ? СО₂

Каждый год сжигается около 2 млрд. т ископаемого топлива, значит, в атмосферу попадает почти 5,5 млрд. т углекислого газа. Ещё приблизительно 1,7 млрд. т его поступает туда же за счёт сведения и выжигания тропических лесов и окисления органического вещества почвы (гумуса). В связи с этим люди пытаются как можно больше сократить выбросы вредных газов в атмосферу, пытаются найти новые пути реализации своих традиционных потребностей. Интересным примером этому может послужить разработка новых, экологически безвредных кондиционеров. Кондиционеры играют немалую роль в возникновении «парникового эффекта». Их использование приводит к увеличению автомобильных выбросов. К этому необходимо добавить незначительную, но неизбежную потерю охлаждающего вещества, которое улетучивается под высоким давлением, например, через уплотнители в месте соединения шлангов. Это охлаждающее вещество имеет такое же воздействие на климат, как и остальные способствующие возникновению «парникового эффекта» газы. Поэтому исследователи занялись поиском экологически чистого охлаждающего вещества. Углеводороды, обладающие хорошими охлаждающими качествами, нельзя использовать из-за высокой воспламеняемости. Поэтому выбор ученых пал на двуокись углерода. СО₂ является естественным составляющим воздуха. Необходимый для кондиционера СО₂ появляется как побочный продукт многих промышленных производств. Кроме того, для естественного СО₂ не придется создавать целую инфраструктуру по обслуживанию и переработке. СО₂ не требует больших затрат и его можно найти по всему миру.

Постоянное увеличение количества сжигаемого органического топлива (угля, нефти, газа, торфа и др.) приводит к повышению концентрации СО₂ в атмосферном воздухе (в начале ХХ века – 0,029%, сегодня – 0,034%). Прогнозы показывают, что к середине XXI века содержание СО₂ удвоится, что приведёт к резкому усилению парникового эффекта, и температура на планете повысится. Возникнут ещё две опасные проблемы: быстрое таяние ледников в Арктике и Антарктике, «вечной» мерзлоты тундр и поднятие уровня Мирового океана. Такие изменения будут сопровождаться изменением климата, которые даже тяжело предусмотреть. Следовательно, проблема состоит не просто в парниковом эффекте, а в его искусственном росте, порожденном человеческой деятельностью, изменении оптимального содержания парниковых газов в атмосфере. Промышленная деятельность человека приводит к заметному их увеличению и появлению угрожающей диспропорции. Если человечество не сможет принять эффективные меры по ограничению выбросов парниковых газов и сохранению лесов, температура, согласно данным ООН, через 30 лет вырастет еще на 3°. Одним из решений проблемы являются экологически чистые источники энергии, которые не добавляли бы углекислый газ и большого количества тепла в атмосферу. Например, уже сейчас успешно используется небольшие гелиоустановки, потребляющие солнечное тепло вместо топлива.