ЛЕКЦИЯ 21. Парниковый эффект
«Парниковый эффект» был обнаружен Ж. Фурье в 1824 году и впервые количественно исследован С. Аррениусом в 1896 г. Это процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты (см. рис.). «Парниковый эффект» – это естественное атмосферное явление, он осуществлялся на планете в течение всей истории Земли, создавая благоприятные условия для жизнедеятельности организмов. Если бы на Земле вообще не было «парникового эффекта», то средняя температура на нашей планете была бы ниже –15°С, а так, благодаря парниковым газам, она составляет +14°С. «Парниковый эффект» вызывают пары воды, метан, углекислый газ, озон, оксиды азота и другие газы, содержащиеся в атмосфере.
Пары воды, метан, углекислый газ, озон, оксиды азота и другие газы, содержащиеся в атмосфере, вызывают «парниковый эффект». «Парниковый эффект» связан с тем, что «парниковые газы» задерживают длинноволновое тепловое излучение с поверхности Земли, вызывая повышение температуры приземного слоя воздуха. Этот процесс осуществлялся на планете в течение всей истории Земли, создавая благоприятные условия для жизнедеятельности организмов. Увеличение поступления в атмосферу «парниковых газов» антропогенного происхождения ведет к усилению «парникового эффекта» и повышению среднегодовой температуры воздуха на Земле.
«Парниковые газы» действуют как крыша парника: она, с одной стороны, пропускает внутрь солнечное излучение, с другой – почти не пропускает наружу тепло, излучаемое Землей. «Парниковые газы», и, в первую очередь, углекислый газ, задерживают длинноволновое тепловое излучение с поверхности Земли, вызывая повышение температуры приземного слоя воздуха и создавая «парниковый эффект». Этот процесс присутствовал на планете в течение всей истории Земли, создавая благоприятные условия для жизнедеятельности организмов. В последние десятилетия происходит рост антропогенного поступления в атмосферу «парниковых газов» и увеличение их концентрации, что ведет к усилению «парникового эффекта», повышению среднегодовой температуры воздуха на Земле и создает угрозу устойчивости климата.
Известно более 30 «парниковых газов», в их числе пары воды, углекислый газ, метан, фреоны, оксиды азота, озон и другие газы. Утепляющий эффект «парниковых газов» зависит не только от их количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если по данному показателю углекислый газ принять за единицу, то утепляющий эффект одной молекулы метана составит 25 единиц, оксидов азота – 165 единиц, метана – 25 единиц, фреонов – 1100 единиц. Таким образом, наиболее выраженным утепляющим эффектом обладают такие «парниковые газы» как фреоны (хлорфторуглероды).
Сжигание ископаемого углеводородного топлива сопровождается выбросами в атмосферу «парниковых газов» – диоксида и оксида углерода, диоксида азота и др. Главным «парниковым газом» является диоксид углерода (углекислый газ). «Парниковые газы» снижают спектральную прозрачность атмосферы для длинноволнового обратного излучения от поверхности земли, усиливают естественный «парниковый эффект» и способствуют потеплению климата на планете. Глобальное потепление вызовет существенное перераспределение осадков, таяние льдов, повышение уровня Мирового океана, затопление обширных территорий суши, изменения в составе биоты и т.п. Поэтому из всех глобальных экологических проблем современности одно из первых мест занимает проблема устойчивости климата. Сжигание органического топлива (нефти, газа, каменного угля и др.) в настоящее время составляет более 9 млрд т условного топлива. Только от предприятий тепловой энергетики в атмосферу поступает примерно 1 т углекислого газа на человека в год, или более 6 млрд т/год на земном шаре. Прогнозируется, что в первой половине XXI столетия выброс углекислого газа в атмосферу возрастет до 10 млрд т/год, климатологи крайне опасным считают выброс порядка 15–20 млрд т/год. Таким образом, одной из первостепенных глобальных экологических проблем, порождаемых сжиганием ископаемого углеводородного топлива, является проблема устойчивости климата.
В докладе, подготовленном под эгидой ООН международной группой по проблемам климатических изменений, утверждается, что к 2100 г. температура на Земле повысится на 2 – 4°С. По этому сценарию неизбежны резкие климатические изменения: зимы потеплеют; летняя жара станет сильнее; будет происходить продвижение тропических и субтропических зон от экватора к полюсам; в зонах с жарким и сухим климатом увеличится количество осадков, в умеренном поясе станет значительно суше. Изменение климата в сторону потепления будет способствовать таянию вечных снегов и льдов и подъему уровня Мирового океана. Потепление климата будет сопровождаться увеличением степени неустойчивости погоды, смещением границ природных зон, ростом числа штормов и ураганов, засухами, ускорением темпов вымирания животных и растений, а также обострением социально-экономических проблем из-за нехватки пищевых ресурсов и пресной воды.
Т. А. Акимова, В. В. Хаскин (2006) приводят следующие данные по выбросам углекислого газа в развитых странах в 2000 г. (млн т в год): весь мир – 23422, США – 5665, ЕС – 3162, Китай – 2997, Россия – 1506, Япония – 1155, Германия – 833, Англия – 531, Канада – 527. По данным статистики, в странах третьего мира на душу населения приходится в среднем 0,5 т выбросов углекислого газа в год, в индустриально развитых странах – в 10 и более раз выше. Выбросы углекислого газа США составляют 24,2% от всего мирового выброса, Китая – 12,8%, России – 6,4%, Германии – 3,6% от мировой эмиссии. Таким образом, наибольший вклад в поступление углекислого газа в атмосферу вносят США.
Количество «парниковых газов» (паров воды, углекислого газа, метана, оксидов азота, ХФУ и др.), поступающих в атмосферу, продолжает увеличиваться. Например, концентрация основного «парникового газа» диоксида углерода за последние 100 лет выросла с 280 до 367 частей на миллион, то есть на 31%. По прогнозам МГЭИК, если не будут приняты меры по сокращению выбросов «парниковых газов», то к концу 21 века концентрация СО2 может возрасти до 540–970 частей на миллион. Эксперты Всемирной метеорологической службы прогнозируют, что при современном уровне поступления «парниковых газов» в атмосферу средняя глобальная температура в 21 веке будет повышаться со скоростью 0,25°С за 10 лет. К концу 21 века ее рост может составить от 1,5 до 4°С, в северных и средних широтах потепление проявится сильнее, чем в экваториальной зоне. Последствия изменения климата могут иметь катастрофический характер.