Величины сокращения выбросов, необходимого для стабилизации парниковых газов на уровнях, существующих в атмосфере

Необходимо отметить, что изменение климата в масштабах всей Земли происходит не сразу, а с запозданием из-за медленного нагревания океан­ской водной массы. Между попаданием СОг в атмосферу, последующим потеплением и повышением уровня Мирового океана проходит достаточно много времени. Поэтому то глобальное потепление, свидетелями которого мы являемся в настоящее время, это лишь часть результата выбросов Ср2 в атмосферу за последние 200 лет. Большую долю его влияния на климат нам еще предстоит наблюдать. Поэтому, даже если содержание СОг в атмосфе­ре стабилизируется, то потребуется несколько десятилетий, а то и целое столетие, прежде чем стабилизируется температура. И может оказаться так, что Земля будет обречена на повышение температуры еще по крайней мере на 1°С.

Несмотря на объективность данных о значительном увеличении средне-планетарной температуры Земли за последнюю сотню лет (рис. 3.10), мне­ния ученых о причинах такого угрожающего изменения разделились. Мно­гие полагают, что мы всего лишь наблюдаем очередной геологический эпи­зод в жизни Земли, в истории которой уже не раз случались повышения и понижения температуры. В настоящее время пока невозможно точно опре­делить, кто прав в этом споре, но никто не возьмется утверждать, что вы­бросы промышленности и транспорта не оказывают влияние на состояние атмосферы планеты. Население Земли постоянно растет, и потребности в пище и промышленных товарах увеличиваются, что влечет за собой разви­тие промышленности, сельского хозяйства и транспорта, а это, в свою оче­редь, добавляет выбросы в атмосферу парниковых газов, которые и «разог­ревают» нашу планету. Таким образом, человечество постоянно расшатыва­ет климатическую систему Земли. Вопрос лишь в том, когда и на какой стадии этот вклад сможет стать катастрофическим для биосферы планеты и человечества в том числе.

3.4.2. Влияние парниковых газов на климат

Каков же механизм злополучного парникового эффекта? Его изучение восходит к работам французского математика и физика Ж. Фурье, который и открыл это явление в 1824 г. В 1860 г. английский физик Дж. Тиндалл выяснил, что СОг, подобно водяному пару, экранирует инфракрасное излу­чение Земли. Наконец, в конце XIX в. шведский химик С. Аррениус указал на возможность изменения климата в связи с увеличением количества теп­ла, поступающего в атмосферу, и накоплением в ней СОг ^в результате дея­тельности человека, а в 1922 г. английский геолог Р. Шерлок отметил, что эта деятельность уже существенно влияет на земной климат. Много позже появится термин «противоизлучение атмосферы», объединяющий работу всех газообразных веществ, обладающих парниковым эффектом.

До промышленной революции количество поглощенной планетой сол­нечной энергии находилось в балансе с количеством энергии, излучаемой Землей в космос в виде инфракрасного излучения. Более того, измерения со спутников показывают, что температура верхнего слоя атмосферы прибли­зительно на 15, 5°С холоднее, чем температура у поверхности Земли. Это свидетельствует о том, что какое-то количество излучаемого планетой теп­ла задерживается в атмосфере. Довольно легко рассчитать, сколько солнеч­ной энергии или тепла поглощают различные парниковые газы и какую часть светового спектра они поглощают, а какую нет. Мы неплохо знаем химичес­

Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна 288°К, или +15°С, а ее эффективная температура, 255°К или -18°С, следователь­но, парниковый эффект на Земле сейчас равен +33°С. Исходя из того, что «естественный» парниковый эффект Земли — это устоявшийся, сбалансиро­ванный процесс, вполне логично предположить, что увеличение концентра­ций парниковых газов в атмосфере должно привести к усилению парниково­го эффекта. Климат на Земле обусловливается постоянным потоком энер­гии, исходящим от Солнца. Около 30% ее сразу же рассеивается в простран­стве, но большая часть из поглощаемых 70% проходит через атмосферу и обогревает земную поверхность. Повышение среднеглобальной температу­ры происходит во многом благодаря накоплению в атмосфере газов, удер­живающих тепло, отраженное от поверхности Земли. Пропуская через себя солнечные лучи, парниковые газы тем не менее становятся преградой на пути инфракрасного (теплового) излучения Земли.

Вопреки мнению, что парниковый эффект лишь незначительно «под­правляет» температуру, которая в основном определяется интенсивностью солнечного излучения, падающего на ту или иную планету, оказалось, что он способен изменять температуру планеты на несколько сотен градусов. Например, среднепланетарная температура Венеры при параметрах атмо­сферы, аналогичных земным, должна была бы быть всего на 50°С выше, чем на Земле. Однако, как известно, среднепланетарная температура Вене­ры составляет почти 500°С. Таким образом, за счет сильного парникового эффекта, вследствие другого газового состава, температура поверхности Ве­неры увеличивается более, чем на 400°С. Повышение среднепланетарной температуры Земли даже на 50° С имело бы катастрофические последствия для человеческой цивилизации. Повышение среднепланетарной температу­ры на 150°С, по-видимому, сделало бы невозможным существование жиз­ни на Земле (по меньшей мере в ее нынешней форме).

Главными парниковыми газами являются водяной пар, углекислый газ, озон, метан, окислы азота и фреоны (хлорфторуглероды).

Водяной пар (HjO) вносит самый крупный «вклад» в исходный парни­ковый эффект. Его присутствие в атмосфере непосредственно не связано с

кий состав атмосферы и поэтому можем объяснить эффект поглощения ин­фракрасного излучения парниковыми газами.

Парниковым эффектом AT называется разность между средней темпе­ратурой поверхности планеты T_s и ее радиационной (эффективной) темпера­турой Т_е, под которой эта планета видна из космоса:

(3.1)

человеческой деятельностью, хотя даже при небольшом глобальном потеп­лении произойдет повышение концентрации водяных паров в атмосфере, что еще больше усилит парниковый эффект. Пары воды поглощают около 62% инфракрасного излучения, что способствует нагреву нижних слоев ат­мосферы. Но роль водяного пара в нагреве атмосферы этим не ограничива­ется. При его конденсации в мельчайшие капли, из которых образуются облака, выделяется огромное количество тепла (до 40% от общего его коли­чества, поступающего на Землю), что также играет значительную роль в тепловом балансе атмосферы. За водяным паром по значимости следует углекислый газ (СОг), поглощающий в прозрачном воздухе 22% инфракрас­ного излучения Земли.

Углекислый газ (СОг) на 60% (среди других газов) ответствен за на­блюдаемое усиление парникового эффекта. Он поступает в атмосферу из различных источников, большая часть которых естественные. Количество СОг в последние тысячелетия оставалось приблизительно на одном уровне, поскольку существуют механизмы, которые выводят углекислый газ из ат­мосферы (упрощенная схема циркуляции СОг в атмосфере показана на рис. 3.11). За последние 200 лет его содержание, благодаря человеческой дея-

* Потоки углерода и его резервуары выражены в миллиардах метрических тонн уг­лерода

тельности, в атмосфере увеличилось почти на 30%. Несмотря на то, что половина выбросов двуокиси углерода, обусловленных техногенезом погло­щается океанами и земной растительностью, уровень его концентрации в атмосфере продолжает подниматься более, чем на 10% каждые 20 лет.

Большой вклад в развитие парникового эффекта вносят хлорфторугле-роды (фреоны, или хладоны). Он составляет около 24% парникового эф­фекта. Молекулы хлорфторуглеродов стабильны в нижних слоях атмосфе­ры, но они постепенно поднимаются в стратосферу, где медленно разруша­ются под действием ультрафиолетового излучения.

Угарный газ (СО) обычно не относят к парниковым газам, поскольку сам по себе он не вызывает экранирования тепла. Но необходимо учиты­вать, что СО легко реагирует с другими компонентами, например с гидро-ксильными радикалами (ОН), уменьшая их концентрацию в атмосфере. Гид-роксил, как весьма способное к химическим реакциям вещество, является главнейшим барьером на пути продвижения в тропосферу таких парнико­вых газов, как озон, метан, угарный газ и окись азота. Кроме того, угарный газ вносит больший вклад в увеличение концентрации метана в атмосфере, чем все источники его непосредственного выброса. Это особенно настора­живает, учитывая, что выбросы СО продолжают нарастать. Средняя кон­центрация СО в атмосфере увеличивается на 0, 8-1, 4% в год, в зависимости от методики оценки, а оценки с достоверным интервалом 90% дают значе­ния в пределах 0, 5-2, 0% в год.

Таким образом, потенциал глобального потепления (ПГП) 1 г СО даже выше, чем ПГП 1 г COi- Это связано с тем, что СО влияет на физические характеристики атмосферы тремя путями. Во-первых, он уменьшает концен­трацию гидроксила. Во-вторых увеличивает остаточное количество метана в атмосфере на 20% — это метановый аспект. В-третьих, каждый грамм СО так или иначе переходит в Сф. Это аспект двуокиси углерода. Комбинация трех аспектов ведет к тому, что ПГП угарного газа в 2, 2 раза выше, чем для двуокиси углерода. Эти факты свидетельствуют о том, что развитие мер по контролю выбросов СО имеет большее значение для сдерживания процесса глобального потепления, чем снижение выбросов двуокиси углерода. Об­щий вклад угарного газа в парниковый эффект оценивается в 20-40%.

На долю метана (СН^ приходится 15-20% имеющегося усиления пар­никового эффекта. Теплозадерживающая способность метана в 20-30 раз выше, чем у углекислого газа, а его концентрация в атмосфере ежегодно увеличивается на 1 %. По способности вызывать глобальное потепление ме­тан за 20 лет в 63 раза превосходит двуокись углерода. Одна молекула мета­на в атмосфере приводит к задержке количества тепла в 20-30 раз большего, чем молекула СОг- Появление же молекулы ХФУ приводит к задержке количества тепла в 20 000 раз большего, чем при выделении молекулы СОг-Основным источником дополнительных количеств метана являются сельс­кое хозяйство (главным образом заливные рисовые поля) и возрастающие стада крупного рогатого скота. Свой «вклад» вносят болота и газовые выбро­сы со свалок мусора, а также утечки при добыче угля и природного газа.

На долю закиси азота (NO2) и озона (Од) приходятся оставшиеся 20% усиления парникового эффекта. Концентрация окислов азота выросла на 15 %, в основном за счет более интенсивного ведения сельского хозяйства. Фото­химический смог и озон, образующийся при реакциях между окислами азо­та и углеводородами, — результат воздействия солнечного света на смесь газов в атмосфере. Тропосферный озон— типичный парниковый газ. Он обеспечивает почти 8%-ный вклад в процесс глобального потепления. Но время жизни озона намного короче, чем остальных парниковых газов (часы, максимум дни по сравнению с десятилетиями и даже веками для некоторых парниковых газов), и снижение его концентрации даст только краткосроч­ный эффект в преодолении последствий глобального потепления в ближай­шее время.

Средневзвешенная оценка роли основных парниковых газов (без паров воды), базирующаяся на их концентрациях в атмосфере в середине 80-х гг. XX в. и на их относительном теплозадерживающем потенциале, дает следу­ющую картину: углекислый газ — 50%, хлорфторуглероды — 20, метан — 16, тропосферный озон — 8, окись азота — 6%. Основную роль в парнико­вом эффекте играет водяной пар атмосферы — 62%, на втором месте нахо­дится углекислый газ — 22%. На остальные парниковые газы приходится лишь 16% от общей величины противоизлучения атмосферы.

Сравнив данные об увеличении концентрации этих газов в атмосфере с данными о количестве их выбросов, связанных с человеческой деятельнос­тью, мы получим, что около 44% СОг, 17% СЩ и 100% ХФУ идет на уве­личение концентрации. Количество каждого из этих газов, накапливающих­ся в атмосфере, может измеряться относительной эффективностью при по­глощении инфракрасного излучения, а для удобства оно выражается в виде эквивалента теплового эффекта СОг- Это позволяет произвести непосред­ственное сравнение различных парниковых газов с долей углекислого газа в увеличении теплового потенциала планеты.

В частности, в 1987 г. в результате деятельности человека в атмосферу выделилось примерно 8, 5 млрд т углерода в виде углекислого газа, 255 млн т СН₄ и 771 500 т ХФУ. При этом в атмосфере появились следующие допол­нительные количества этих газов: 3, 7 млрд т углерода в виде СОг, 43 млн т СЩ и 771, 500 т ХФУ. Если соотнести эти цифры с тепловой эффективнос­тью этих газов и перевести их в обычные единицы, можно прийти к выводу,

что благодаря деятельности человека в атмосфере появилось дополнитель­ное количество газов, эквивалентное 5, 9 млрдт углерода. Из них 63% со­ставляет углекислый газ, 14 — метан, и 24% — ХФУ.