Парниковый эффект газов атмосферы

Химический состав атмосферы Земли.

Парниковый эффект.

Озоновый слой планеты

Атмосфера имеет ряд особенностей, характерных только для нее: высокую подвижность, изменчивость составляющих ее компонентов, специфические физико-химические процессы.

Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности Земли, озоновый слой защищает жизнь на Земле от жесткого УФ излучения.

Распределение тепла и влаги в атмосфере – основная причина существования природных зон на Земле, определяющих особенности режима рек, почвенно-растительного покрова и важные процессы формирования рельефа.

Специфические особенности физико-химических процессов в атмосфере связаны как с природными, так и антропогенными факторами.

Химический состав атмосферы Земли

Атмосфера — газовая оболочка, окружающая Землю и вра­щающаяся вместе с нею, имеет массу около 5,15-10¹⁵ т. Верхняя ее граница, где происходит рассеивание газов в межпланетное пространство, лежит на высоте примерно 1000 км над уровнем моря.

В приземном слое толщиной около 5,5 км сосредоточена половина, а в слое толщиной 40 км — более 99% массы атмосферы. Изменения температуры в различных слоях атмосферы связаны с изменением в них химического состава воздуха.

Химический состав сухого атмосферного воздуха в приземном слое приведен в таблице.

Таблица

Химический состав атмосферного воздуха в приземном слое

Газ	Объемная доля, %	Газ	Объемная доля, %
Азот	78,084	Оксид азота (I)	3,04*10-5
Кислород	20,9476	Ксенон	8,7*10-6
Аргон	0,934	Диоксид серы	≤7*10-6
Диоксид углерода	3,45*10-2	Озон	≤2*10-6 (зимой)
Неон	1.818*10-3		≤7*10-6 (летом)
Гелий	5,24*10-4	Диоксид азота	≤2*10-6
Метан	1,6*10-4	Оксид углерода	5*10-6-8*10-6
Криптон	1,14*10-4	Оксид азота (II)	<1*10-4
Водород	5*10-5	Аммиак	<1*10-4

Атмосфера состоит из двух типов газовых компонентов: один меняется очень мало на временных масштабах порядка тысячелетий, другой может меняться на временах порядка столетия, или даже много меньше. Первая часть составляет около 99,6 % по объёму и состоит из азота, кислорода, аргона (и других благородных газов в существенно меньших количествах) в пропорциях 78:21:1.

Эти компоненты менялись в определенных пропорциях на временных масштабах порядка миллионов лет в течение истории Земли, особенно кислород. Само присутствие кислорода в атмосфере планеты является следствием появления жизни на ней и условием её развития, по крайней мере, на суше. Масса и состав атмосферы - результат сформировавшегося баланса между выделением газов из недр Земли, процессов на её поверхности, включая океан, диссипация атмосферы в космическое пространство и т.д. Земля имеет атмосферу массой 5,15*10 ¹⁵ т. Остаток около 0,4% состоит в основном из водяного пара с концентрацией около 3200млн^.-1(частей на миллион молекул воздуха по объёму), если взять глобальную среднюю концентрацию водяного пара, соответствующую слою в 2 см осаждённой воды.

Следует отметить, что водяной пар является одним из наиболее переменных в пространстве и времени компонентов атмосферы благодаря изменчивости его источников, фазовым переходам и осадкам. На порядок меньше концентрация углекислого газа. Эти два компонента - главные малые примеси, которые обеспечивают основную часть парникового эффекта. Другими существенными газами являются метан, СН4, закись азота, N2O, тропосферный озон и хлорфторуглероды – фреоны.

Без наличия парниковых газов в атмосфере средняя по земному шару температура её поверхности была бы около 255 К= -18⁰С, т.е. на 33⁰С меньше, чем теперь. Поэтому без парниковых газов жизнь на земле едва ли была бы возможна.

Парниковый эффект газов атмосферы

Сущность парникового эффекта состоит в том, что эти газы поглощают меньшую долю солнечного излучения, чем это они делают в отношении теплового излучения земной поверхности и самой атмосферы. В результате часть тепловой радиации переизлучается назад к поверхности, увеличивая тем самым количество энергии, приходящей к поверхности, и нагревая её дополнительно.

В 1894 г. французский физик Ферье ввел в научную литературу термин "парниковый эффект атмосферы". На рубеже XIX и XX вв. шведский ученый Сванте Аррениус (в 20-е гг. XX в. он был избран иностранным почетным членом Академии наук СССР) показал важнейшую роль паров воды и углекислого газа в теп­ловом режиме атмосферы.

Основное количество излучаемой земной поверхностью ИК-радиации задерживается в атмосфере молекулами воды, и только относительно небольшая часть излучения проходит через так называемое «окно прозрачности» в диапазоне 7,6—16,7 мкм. Однако это окно сужается за счет поглощения ИК-радиации с длинами волн 13,7— 16,7 мкм молекулами СО₂.

Про­веденные впоследствии расчеты показали, что увеличение коли­чества углекислого газа в атмос­фере в 2 — 3 раза способно по­высить температуру приземных слоев воздуха на 8 — 9 °С, а его уменьшение на 40 % снижает среднюю глобальную температу­ру на 4 — 5 ^оС.

Количество пропущенной солнечной и поглощенной термической радиации зависит от спектрального поглощения в атмосфере. Природа поглощения зависит от газа и формируется спектральными линиями и молекулярными полосами, которые могут быть насыщенными и ненасыщенными, а также от температуры, давления, присутствия других газов, перекрытия полос и т.д. Количественное значение этих основных свойств получается путём длительных и дорогих лабораторных измерений и численных расчётов. Точность измерения этих свойств и зависимостей порядка 10 % и меньше.

Водяной пар – главный парниковый газ естественного происхождения. Основной источник влаги в атмосфере - испарения с поверхности океан, затем -испарение с почв, особенно путем эвопотранспирации, что влияет на региональные содержания водяного пара и осадки. Среднеглобальное содержание водяного пара около 2 г/см² , но локально оно сильно изменяется в пространстве и времени. Среднее время жизни молекулы Н2О в атмосфере оценивается в 10 дней.

Диоксид углерода – основа фотосинтеза и без него жизнь не существовала бы на Земле. Этот газ пренебрежимо мало поглощает солнечную радиацию, в основном в полосе 13-17 мкм. В настоящее время СО2 даёт около 55% суммарного эффекта всех парниковых газов, если исключить водяной пар. Годовой поток СО2 между атмосферой и биосферой оценивается в 17 % от полного его содержания в атмосфере, а между атмосферой и океаном – в 12%. Время жизни молекулы СО2 порядка пяти лет, но с учётом взаимодействия с океаном и его дном, это время возрастает до 150 лет. Интенсивность антропогенного источника СО2 порядка 0,8% в год, из чего порядка 20% обязано биологическим источникам (сжигание биомассы, обезлесивание, деградация гумуса и т.п.). Необходимо более точное определение интенсивности биологического источника.

Метан – важный парниковый газ с главной полосой поглощения вблизи 7.7 мкм. Он участвует также во многом химических реакциях в атмосфере, ведущих к образованию там водяного пара.

Концентрация метана в течение двух теплых последних геологических периодов была около 0,7 млн^-1 . Таковой она была около 300 лет назад, когда она сначала медленно, а затем, ускоряясь, начала расти, достигая сейчас 1,7 млн^-1 в глобально осреднённом значении. Метан распределён по широте неравномерно, будучи около 1,6 млн^-1 в высоких широтах южного полушария и достигая 1,7 млн^-1 в средних и высоких широтах северного полушария. Его концентрация уменьшается с высотой, достигая приблизительно 1,5 млн^-1 в нижней стратосфере.

Всё это означает, что источники метана в основном расположены на суше, а стоки – в океане и стратосфере.

Изотопный состав атмосферного метана проливает некоторый свет на его происхождение. Такой анализ показывает, что около 30% метана из ископаемого топлива поступает или прямо высвобождается при добыче нефти и угля.

Обсуждаются и другие источники: почвенные бактерии, освобождение метана при таянии вечной мерзлоты в тундре, болота, термиты, коровы, заливные рисовые поля и др. Неопределённости в интенсивностях источников ведут к неопределённостям во времени жизни метана в атмосфере, которая в настоящее время оценивается 10+-2 года.

Большая часть метана не связана с про­цессами горения и представля­ет собой утечки при добыче, транспортировке, переработке, распределении и хранении ор­ганического топлива. Основ­ная доля выброса метана (85%) приходится на газовую промышленность и связана с выбросами во время добычи и с утечками из магистральных газопроводов и компрессорных станций при транспортировке природного газа. Высокие объ­емы утечек в нашей стране связаны с тем, что основное оборудование физически изно­шено и морально устарело, (средний возраст газопроводов превышает 20 лет, более 13 % из них нуждается в ремонте и замене изоляции).

Во время добычи угля также происходит выделение в атмос­феру метана, накопившегося в процессе его образования (углефикации). Метан продолжа­ет выделяться из угля при его переработке, транспортировке, хранении и подготовке к сжи­ганию.

Закись азота в качестве парникового привлекла внимание лишь десятилетие назад. Его концентрация в доиндустриальную эпоху по оценкам, использующим, данные анализа кернов антарктического льда составляла

285+-1млрд^-1. Тренд – около 0,3% в год, современная концентрация – около 310 млрд^-1.

Основными источниками являются микробиологические процессы в почве и океане, разложение азотных удобрений, сжигание ископаемого топлива. Стоками являются окисление в почве и в стратосфере. Время жизни молекулы N2O атмосфере оценивается в пределах 80-150 лет.

Существует небольшая ассиметрия между распределением N2O в северном и южном полушариях: в первом концентрация на 1 млрд^-1 больше, чем во втором. Наблюдается также слабый сезонный ход с максимумом поздней весной. Амплитуда сезонного хода в пределах 0,5-0,8 млрд^-1 .

Озон имеет сильную полосу поглощения 906 мкм и является важным парниковым газом, дающим вклад в несколько процентов в суммарный парниковый эффект. Его распределение в пространстве и времени определяется химическими, радиационными и динамическими процессами. Озон переносится из стратосферы вниз в тропосферу, производится при фотоокислении метана, окиси углерода и др. в присутствии окислов азота, разрушается на поверхности частиц и земной поверхности и при реакциях с радикалами ОН и НО2.

Поскольку время жизни озона в тропосфере около месяца и благодаря большой изменчивости процессов, формирующих озон в тропосфере, его концентрация сильно варьирует во времени и в пространстве, особенно над сушей. Это очень затрудняет мониторинг. На континентальных станциях умеренных широт северного полушария его концентрация выявляет существенный сезонный ход с летним максимумом, который вдвое выше зимнего минимума. Среднегодовые значения находятся в пределах 25-35 млрд^-1 . Мониторинг О3 в тропосфере требуется в гораздо большем числе мест, поскольку при концентрациях 60 млрд^-1 и больше он опасен для растений и человека. Полное содержание О3 в тропосфере увеличивалось примерно на 1% в год между 1965 г. и 1986 г.

Озон – важный парниковый газ, помимо того обстоятельства, что его рост приносит прямой ущерб окружающей среде и человеку. Проблема источников и стоков О₃ в тропосфере также далека от разрешения.

Хлорфторуглероды, производимые человеком, известны своей ролью в разрушении слоя озона. Но в тоже время они являются газами, сильнейшими по парниковому эффекту, будучи в 14-18 тысяч раз более эффективными по сравнению с молекулой СО2. И хотя их суммарная концентрация меньше 2 млрд^-1, их суммарный вклад в величину парникового эффекта за 80-е годы – около 24%. Поэтому постепенный вывод фреонов из производства благодаря Монреальскому протоколу не только будет сберегать слой озона, но и уменьшит парниковый эффект.

МГС

Сильное поглощение в указанном окне (так называемое «окно прозрачности» в диапазоне 7,6—16,7 мкм) характерно и для многих минорных компонентов атмосферы. Среди них можно назвать такие, как N₂O, SO₂, О₃, NH₃, а также метан и все другие органические соединения. Таким образом, парниковый эффект имеет многокомпонентную природу.

Широкая полоса поглощения с центром при 15 мкм уже почти насыщена и дальнейшая абсорбция ИК-излучения земной поверхности при увеличении концентрации СО₂ должна определяться главным образом поглощением в более слабых полосах с центром при 16,2 и 13,9 мкм, а также 10,4 и 9,4 мкм. Их интенсивности при современном уровне концентрации СО₂ пока еще превосходят интенсивности полос поглощения других малых газовых составляющих (МГС) атмосферы. Однако уже сейчас суммарный вклад МГС в парниковый эффект приближается к вызываемому СО₂.

Особенно велика роль в парниковом эффекте органических соединений, так как для них характерна удельная абсорбция ИК-радиации, намного превосходящая эту величину для СО₂. Так, одной молекулой метана поглощается в 25 раз больше ИК-радиации в спектральном диапазоне окна прозрачности, чем молекулой СО_2. Еще более интенсивное поглощение типично для гомологов метана, фторхлоруглеводородов (фреонов) и фторбромуглеводородов (галонов)

Влияние органических МГС на радиационный режим атмо­сферы проявляется и косвенным путем через участие в парнико­вом эффекте аэрозоля, образующегося в результате конденсации продуктов окисления некоторых органических соединений. Мел­кодисперсный конденсационный аэрозоль с размерами частиц менее 1 мкм нагревает атмосферу за счет поглощения как длинноволновой ИК-радиации земной поверхности, так и ко­ротковолновой УФ-радиации Солнца. Это связано с тем, что коэффициент поглощения субмикронного аэрозоля превосходит коэффициент рассеяния.