Физические основы возникновения парникового эффекта. Парниковый эффект

Главный вклад в «парниковый» эффект земной атмосферы вносит водяной пар или влажность воздуха тропосферы (Таблица 3).

Вместе с тем, концентрация водяного пара в тропосфере существенно зависит от приповерхностной температуры: увеличение суммарной концентрации «парниковых газов» в атмосфере должно привести к усилению влажности и «парникового» эффекта, который в свою очередь приведет к увеличению приповерхностной температуры.

При понижении приповерхностной температуры концентрация водяных паров падает, что ведет к уменьшению «парникового» эффекта, и, одновременно с этим при снижении температуры в приполярных районах формируется снежно-ледяной покров, ведущий к повышению альбедо и, совместно, с уменьшением «парникового» эффектом, вызывающим понижение средней приповерхностной температуры.

Таким образом, климат на Земле может переходить в стадии потепления и похолодания в зависимости от изменения альбедо системы Земля - атмосфера и «парникового» эффекта.

Антропогенное загрязнение атмосферы Земли является одной из причин «парникового» эффекта, под которым понимают возможное повышение глобальной температуры земного шара в результате изменения теплового баланса, обусловленного так называемыми «парниковыми газами».

На земную поверхность поступает в основном поток видимых лучей, которые проходят через «парниковые газы» не изменяясь. В околоземном пространстве при встрече с различными телами значительная часть этих лучей трансформируется в длинноволновые (инфракрасные) тепловые лучи. «Парниковые газы» препятствуют уходу тепловых лучей в космическое пространство и вызывают тем самым повышение температуры воздуха («парниковый» эффект).

Основным «парниковым газом» является диоксид углерода (СО 2). Его вклад в «парниковый» эффект, по разным данным, составляет от 50 до 65 %. К другим «парниковым газам» относятся метан (около 20 %), оксиды азота (примерно 5 %), озон, фреоны (хлорфторуглероды) и другие газы (около 10-25 % «парникового» эффекта). Всего известно около 30 «парниковых газов». Их утепляющий эффект зависит не только от количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если по данному показателю СО 2 принять за единицу, то для метана он будет равен 25, для оксидов азота - 165, а для фреона - 11000.

Основным антропогенным источником поступления СО 2 в атмосферу является сжигание углеродосодержащего топлива (уголь, нефть, мазут, метан и др.). Ныне только от теплоэнергетики в атмосферу поступает около 1 тонны углерода на человека в год; по прогнозам в первой половине ХХI столетия выброс достигнет более 10 млрд. тонн.

За последние 200 лет концентрация СО 2 в воздухе увеличилась с 275 до 350 частиц на 1 млн. частиц воздуха, то есть на 25%, а с 1958г. по 2001 г. концентрация СО 2 возросла с 350 до 368 частиц (Таблица 4). Если человечество не примет меры, чтобы сократить выброс газов, то к середине века средняя глобальная температура приземной атмосферы повысится на 1,5-4,5 0 С. Доли некоторых государств в выбросе диоксида углерода таковы: США - 22%, Россия и Китай - по 11%, Германия и Япония - по 5%.

В настоящее время опасность состоит в том, что концентрация «парниковых газов» в атмосфере, а именно углекислого газа, азота, водяного пара и многих других, значительно возросла и связывают это с индустриальным развитием человечества. За последние 150 лет содержание азота увеличилось на 18%, метана почти на 150%, а углекислого газа более чем на 30%. В результате произошла определенная стимуляция «парникового» эффекта с соответствующими последствиями.

По подсчетам ученых в круговороте углерода на планете ежегодно принимают участие 330 млрд. тонн этого вещества. Доля человека в этом объеме очень мала - 7,5 млрд. тонн, однако этого достаточно для нарушения равновесия системы.

Признавая проблему глобального потепления климата, Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) учредили еще в 1988 г. Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК). Это фактически постоянно действующий форум нескольких тысяч ученых разных стран, включая и десятки российских, практически всех, кто с разных сторон занимается данной проблемой: климатологов, экологов, экономистов и энергетиков. Примерно раз в 4-5 лет ученые публикуют свои многостраничные доклады о состоянии климата Земли. «Первый доклад» экспертов в 1990 г. содержал довольно скромные утверждения о происходящих колебаниях климата, в одном ученые были уверены наверняка - идет рост концентрации углекислого газа в атмосфере. Средний уровень углекислого газа в атмосфере по данным ВМО за последние 30 лет возрос от 340 до 390 частиц на миллион. Уверенность исследователей возрастала с каждым годом. Еще в 2006 г. 70% экспертов были уверены в том, что во всемирном изменении климата виноват человек, но уже из четвертого доклада МГЭИК в 2007 г. стало ясно, что число экспертов, уверенных в этом, возросло до 90-95%.

Проблемой снижения выбросов «парниковых газов» занимается практически все мировое сообщество, как на политическом, так и на промышленном и экологическом уровнях. Примером грамотной политики по снижению выбросов «парниковых газов» является Киотский протокол 1997 г. В декабре 1997 г. в Киото была проведена международная конференция по глобальному изменению климата на планете, в которой приняли участие представители из 159 стран. Был принят заключительный протокол, который предусматривал общее сокращение на 5,2% выбросов в атмосферу «парниковых газов». К 2008-2012гг. страны Европейского союза должны сократить выбросы «парниковых газов» (от уровня 1990 г.) на 8%, США - на 7%, Япония, Канада - на 6%. Россия и Украина к 2012 г. могут сохранить выбросы на уровне 1990 г. из-за уменьшения промышленного производства в последние годы. Примером промышленного снижения выбросов СО 2 могут служить работы, проводимые в Японии в 2007-2008 гг. по уменьшению выбросов диоксида углерода в результате растворения дымовых газов после газоиспользующих установок в морской воде. Однако это техническое решение не дало ожидаемых результатов, и работы в этом направлении были прекращены.

Средняя температура поверхности Земли (или другой планеты) повышается за счет наличия у нее атмосферы.

Садоводы хорошо знакомы с этим физическим явлением. Внутри парника всегда теплее, чем снаружи, и это помогает выращивать растения, особенно в холодное время года. Вы можете почувствовать аналогичный эффект, когда находитесь в автомобиле. Причина его состоит в том, что Солнце с температурой поверхности около 5000°С излучает главным образом видимый свет — часть электромагнитного спектра , к которой чувствительны наши глаза. Поскольку атмосфера в значительной степени прозрачна для видимого света, солнечное излучение легко проникает к поверхности Земли. Стекло также прозрачно для видимого света, так что солнечные лучи проходят внутрь парника, и их энергия поглощается растениями и всеми объектами, находящимися внутри. Далее, согласно закону Стефана—Больцмана , каждый объект излучает энергию в какой-либо части электромагнитного спектра. Объекты с температурой около 15°С — средней температурой у поверхности Земли — излучают энергию в инфракрасном диапазоне. Таким образом, объекты в парнике испускают инфракрасное излучение. Однако инфракрасное излучение не может легко проходить сквозь стекло, поэтому температура внутри парника повышается.

Планета с устойчивой атмосферой, такая как Земля, испытывает практически такой же эффект — в глобальном масштабе. Чтобы поддерживать постоянную температуру, Земле необходимо самой излучать столько же энергии, сколько она поглощает из видимого света, излучаемого в нашу сторону Солнцем. Атмосфера служит как бы стеклом в парнике — она не столь прозрачна для инфракрасного излучения, как для солнечного света. Молекулы различных веществ в атмосфере (важнейшие из них — углекислый газ и вода) поглощают инфракрасное излучение, действуя как парниковые газы . Таким образом, инфракрасные фотоны, излучаемые земной поверхностью, не всегда уходят прямо в космос. Некоторые из них поглощаются молекулами парниковых газов в атмосфере. Когда эти молекулы вторично излучают энергию, которую они поглотили, они могут излучать ее как в сторону космоса, так и внутрь, обратно к поверхности Земли. Присутствие таких газов в атмосфере создает эффект укрывания Земли одеялом. Они не могут прекратить утечку тепла наружу, но позволяют сохранить тепло около поверхности более долгое время, поэтому поверхность Земли значительно теплее, чем была бы в отсутствие газов. Без атмосферы средняя температура поверхности составляла бы —20°С, что намного ниже точки замерзания воды.

Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли, и высшие формы жизни не появились бы. В настоящее время научные дебаты о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления : не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу? Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов.

Парниковый эффект имеет место не только на Земле. В действительности самый сильный парниковый эффект, о котором мы знаем, — на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что мы избежали такой участи благодаря наличию на Земле океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк — посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате мы наблюдаем на Венере неуправляемый парниковый эффект.

Парниковый эффект – процесс повышения температуры у поверхности земли из-за увеличения концентрации парниковых газов (Рисунок 3).

Парниковые газы – это газообразные соединения, которые интенсивно поглощают инфракрасные лучи (тепловые лучи) и способствуют нагреванию приземного слоя атмосферы; к ним относятся: в первую очередь CO 2 (углекислый газ), а также метан, хлорфторуглероды (ХФУ), оксиды азота, озон, водяной пар.

Эти примеси препятствуют длинноволновому тепловому излучению с земной поверхности. Часть этого поглощенного теплового излучения возвращается обратно к земной поверхности. Следовательно, с повышением концентрации в приземном слое атмосферы парниковых газов увеличивается и интенсивность поглощения исходящего с поверхности земли инфракрасного излучения, а значит, увеличивается температура воздуха (потепление климата).

Важная функция парниковых газов – поддержание относительно постоянной и умеренной температуры на поверхности нашей планеты. За сохранение благоприятных температурных условий у поверхности Земли ответственны главным образом диоксид углерода и вода.

Рисунок 3. Парниковый эффект

Земля находится в тепловом равновесии со своим окружением. Это означает, что планета излучает в космическое пространство энергию со скоростью, равной скорости поглощения солнечной энергии. Поскольку Земля является относительно холодным телом с температурой 254 К, излучение таких холодных тел приходится на длинноволновую (с низкой энергией) часть спектра, т.е. максимум интенсивности излучения Земли находится вблизи длины волны 12 000 нм.

Большая часть этого излучения задерживается СО 2 и Н 2 О, поглощающим его и в инфракрасной области, тем самым эти компоненты не дают рассеиваться теплу и поддерживают пригодную для жизни равномерную температуру у поверхности Земли. Пары воды играют важную роль в поддержании температуры атмосферы в ночное время, когда земная поверхность излучает энергию в космическое пространство и не получает солнечной энергии. В пустынях с очень засушливым климатом, где концентрация паров воды очень мала, днем невыносимо жарко, зато ночью очень холодно.

Основные причины усиления парникового эффекта – значительное поступление в атмосферу парниковых газов и возрастание их концентраций; что происходит в связи с интенсивным сжиганием ископаемого топлива (угля, природного газа, нефтепродуктов), сведением растительности: вырубка лесов; усыхание лесов из-за загрязнений, выгорание растительности в процессе пожаров и т.п. В итоге нарушается природный баланс между потреблением растениями CO 2 и его поступлением в процессе дыхания (физиологического, гниения, горения).

Как пишут ученые, с вероятностью более чем в 90% именно человеческая деятельность по сжиганию природного топлива и вызванный этим парниковый эффект в большой степени объясняет глобальное потепление в последние 50 лет. Вызванные деятельностью человека процессы подобны потерявшему управление поезду. Остановить их практически невозможно, потепление будет продолжаться как минимум несколько веков, а то и целое тысячелетие. Как установили экологи, до сих пор львиную долю тепла поглощал мировой океан, но емкость этого гигантского аккумулятора на исходе - вода прогрелась до глубины трех километров. Итог – глобальное изменение климата.

Концентрация основного парникового газа (CO 2) в атмосфере в начале XX века составляла » 0,029 %, к настоящему времени достигла 0,038%, т.е. выросла почти на 30%. Если допустить сохранение существующих воздействий на биосферу к 2050 году концентрация CO 2 в атмосфере удвоится. В связи с чем прогнозируют повышение температуры на Земле на 1,5 °C - 4,5 °C (в полярных районах до 10 °C, в экваториальных – 1 °C –2 °C).

Это в свою очередь может привести к критическому повышению температуры атмосферы в аридных зонах, что повлечет гибель живых организмов, снижение их жизнедеятельности; опустынивание новых территорий; таянию полярных и горных ледников, а значит к поднятию уровня мирового океана на 1,5 м, подтоплению прибрежных зон, усилению штормовой деятельности, миграции населения.

Последствия глобального потепления:

1. В результате глобального потепления прогнозируется изменение циркуляции атмосферы , изменение распределения осадков, изменение структуры биоценозов; в ряде районов снижение урожайности сельскохозяйственных культур.

2. Глобальное изменение климата . Австралия пострадает сильнее. Климатологи предрекают Сиднею климатическую катастрофу: к 2070 году средняя температура в этом австралийском мегаполисе поднимется примерно на пять градусов, лесные пожары опустошат его окрестности, а гигантские волны уничтожат морские пляжи. Европу опустошит изменение климата. Экосистема будет дестабилизирована беспощадно повышающимися температурами, прогнозируют ученые ЕС в докладе. На севере континента урожаи сельскохозяйственных культур вырастут с увеличением длительности сезона роста и периода без заморозков. И без того теплый и засушливый климат этой части планеты станет еще теплее, что приведет к засухам и высыханию многих резервуаров пресной воды (Южная Европа). Эти изменения станут настоящим испытанием для фермеров и лесоводов. В Северной Европе теплые зимы будут сопровождаться повышением уровня осадков. Потепление на севере региона приведет и к позитивным явлениям: расширению лесных массивов и росту урожаев. Однако они будут идти рука об руку с наводнениями, разрушением прибрежных районов, исчезновением некоторых видов животных и растений, таянием ледников и районов вечной мерзлоты. В Дальневосточном и Сибирском регионах количество холодных дней уменьшится на 10-15, а в европейской части - на 15-30.

3. Глобальные изменения климата уже обходятся человечеству в 315 тысяч жизней ежегодно, и эта цифра постоянно увеличивается с каждым годом. Оно вызывает болезни, засухи и другие погодные аномалии, от которых уже гибнут люди. Эксперты организации приводят и другие данные - по их подсчетам в настоящее время более 325 миллионов человек, как правило из развивающихся стран, испытывают на себе влияние изменения климата. Влияние глобальное потепления климата для мировой экономики специалисты оценивают в 125 миллиардов долларов ущерба ежегодно, а к 2030 году эта сумма может вырасти до 340 миллиардов долларов.

4. Обследование 30 ледников в различных регионах Земного шара, проведенное Всемирной службой наблюдения за ледниками, показало, что за 2005 год толщина ледяного покрова уменьшилась на 60-70 сантиметров. Эта цифра в 1,6 раз превышает среднегодовой показатель 90-х годов и в 3 раза – средний показатель 1980-х. Как полагают некоторые специалисты, при том, что толщина ледников составляет всего несколько десятков метров, если их таяние продолжится такими темпами, через несколько десятилетий ледники исчезнут совсем. Самые драматические процессы таяния ледников отмечены в Европе. Так, норвежский ледник Брейдалбликкбреа (Breidalblikkbrea) в 2006 году потерял более трех метров, что в 10 раз больше, чем в 2005 году. Угрожающие таяния ледников отмечены в Австрии, Швейцарии, Швеции, Франции, Италии и Испании.В зоне Гималайских гор. Текущая тенденция таяния ледников позволяет предположить, что такие реки, как Ганг, Инду, Брахмапутра (самая высокогорная реки в мире) и другие реки, пересекающие северную равнину Индии, могут стать сезонными реками в ближайшем будущем вследствие климатических изменений.

5. Стремительное таяние вечной мерзлоты из-за потепления климата представляет сегодня серьезную угрозу российским северным регионам, половина которых и находится в так называемой "зоне вечной мерзлоты". Эксперты из МЧС РФ дают прогнозы: по их подсчетам площадь вечной мерзлоты в России за ближайшие 30 лет сократится более чем на 20%, а глубина оттаивания грунта - и вовсе на 50%. Наибольшие изменения в климате могут произойти в Архангельской области, Республике Коми, Ханты-Мансийском автономном округе и Якутии. Специалисты прогнозируют, что таяние вечной мерзлоты приведет к значительным изменениям ландшафта, полноводью рек, образованию термокарстовых озер. Кроме того, из-за таяния вечной мерзлоты возрастет скорость эрозии российских арктических берегов. Как ни парадоксально, из-за изменения берегового ландшафта территория России может сократиться на несколько десятков квадратных километров. Из-за потепления климата от эрозии береговой линии страдают и другие северные страны. Так, например, процесс волновой эрозии приведет [ http://ecoportal.su/news.php?id=56170 ] к полному исчезновению самого северного острова Исландии уже к 2020 году. Остров Колбинси (Kolbeinsey), который считается самой северной точкой Исландии, полностью скроется под водой к 2020 году в результате ускорения процесса абразии - волновой эрозии берегов.

6. Уровень Мирового океана к 2100 году может подняться на 59 сантиметров, говорится в докладе экспертной группы ООН. Но это не предел, если будут таять льды Гренландии и Антарктики, то уровень Мирового океана может подняться ещё выше. На местоположение Санкт-Петербурга тогда будут указывать только торчащие из воды верхушка купола Исаакиевского собора и шпиль Петропавловской крепости. Похожая участь постигнет Лондон, Стокгольм, Копенгаген и другие крупнейшие приморские города.

7. Тим Лентон эксперт по климату Университета Восточной Англии с коллегами с помощью произведённых математических расчётов установил, что повышение среднегодовой температуры даже на 2°C в течение 100 лет станет причиной гибели 20-40% Амазонских лесов вследствие надвигающейся засухи. Повышение температуры на 3°C вызовет гибель 75% лесов в течение 100 лет, а рост температуры на 4°C и вовсе станет причиной исчезновения 85% всех лесов Амазонки. А они эффективнее всего поглощяют CO 2 (Фото: NASA, презентация).

8. При нынешних темпах глобального потепления к 2080 году до 3,2 млрд человек на земном шаре столкнутся с проблемой нехватки питьевой воды . Ученые отмечают, что трудности с водой коснутся прежде всего Африки и Ближнего Востока, однако критическая ситуация может сложиться также в Китае, Австралии, некоторых частях Европы и США. ООН опубликовало список стран, которые больше всего пострадают от климатических изменений. В нем лидируют Индия, Пакистан и Афганистан.

9. Климатические мигранты . Глобальное потепление приведет к тому, что к концу 21 века к различным категориям беженцев и мигрантов может прибавиться еще одна - климатическая. К 2100 году численность климатических мигрантов может составить порядка 200 миллионов человек.

В том, что потепление существует, никто из ученых не сомневается - это очевидно. Но существуют альтернативные точки зрения . Например, член-корреспондент Российской Академии наук, доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой рационального природопользования МГУ Андрей Капица , считает изменение климата нормальным природным явлением. Идет глобальное потепление, оно чередуется с глобальным похолоданием.

Сторонники "классического" подхода к проблеме парникового эффекта исходят из предположения шведского ученого Сванте Аррениуса о прогреве атмосферы в результате того, что "парниковые газы" свободно пропускают солнечные лучи к поверхности Земли и в то же время задерживают излучение земного тепла в космос. Однако процессы теплообмена в земной атмосфере оказались значительно сложнее. Газовая "прослойка" регулирует поступление солнечного тепла иначе, чем стекло приусадебного парника.

На самом деле газы типа двуокиси углерода не приводят к возникновению парникового эффекта. Это было убедительно доказано российскими учеными. Академик Олег Сорохтин, работающий в Институте океанологии РАН, первым создал математическую теорию парникового эффекта. Из его расчетов, подтвержденных измерениями на Марсе и Венере, следует, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу практически не меняют тепловой режим Земли и не создают парникового эффекта. Напротив, нам следует ожидать небольшого, на доли градуса, похолодания.

Не повышенное содержание CО2 в атмосфере приводило к потеплению, а в результате потепления происходил выброс в атмосферу гигантских объемов углекислого газа - заметьте, без всякого человеческого участия. 95 процентов CО 2 растворено в мировом океане. Достаточно толщам воды прогреться на полградуса - и океан "выдохнет" углекислоту. Извержения вулканов и лесные пожары тоже вносят существенный вклад в накачивание земной атмосферы CО 2 . При всех издержках промышленного прогресса выброс тепличных газов из труб заводов и теплоэлектростанций не превышает нескольких процентов от общего оборота углекислоты в природе.

Известны ледниковые периоды, которые чередовались глобальным потеплением, и сейчас мы находимся в периоде глобального потепления. Нормальные колебания климата, которые связаны с колебаниями активности Солнца и орбиты Земли. Вовсе не с человеческой деятельностью.

Нам удалось заглянуть на 800 тысяч лет назад в прошлое Земли благодаря скважине, пробуренной в толще ледника в Антарктиде (3800 м).

По пузырькам воздуха, сохранившимся в керне, определили температуру, возраст, содержание углекислого газа и получили кривые примерно за 800 тысяч лет. По соотношению изотопов кислорода в этих пузырьках ученые определили температуру, при которой выпадал снег. Полученные данные охватывают большую часть четвертичного периода. Разумеется, в далеком прошлом человек не мог воздействовать на природу. Но установлено, что содержание CО 2 тогда менялось очень сильно. Причем каждый раз именно потепление предшествовало повышению концентрации CО 2 в воздухе. Теория парникового эффекта предполагает обратную последовательность.

Существуют определенные ледниковые периоды, которые чередовались с периодами потепления. Сейчас мы как раз находимся в периоде потепления, причем оно идет с малого ледникового периода, который был в XV - XVI веке, с XVI века примерно идет потепление на один градус в столетие.

Но то, что называют "парниковым эффектом" - это явление не является доказанным фактом. Физики показывают, что СО 2 не влияет на парниковый эффект.

В 1998 году бывший президент Национальной академии наук США Фредерик Зейтц представил на рассмотрение научной общественности петицию, призывающую правительства США и других стран отклонить подписание достигнутых в Киото соглашений об ограничении выбросов парниковых газов. К петиции прилагался обзор, из которого следует, что на протяжении последних 300 лет на Земле наблюдается потепление. И влияние человеческой деятельности на изменение климата достоверно не установлено. Кроме того, Зейтц утверждает, что повышенное содержание CО2 стимулирует фотосинтез у растений и тем самым способствует повышению продуктивности сельского хозяйства, ускоренному росту лесов. Петицию подписали 16 тысяч ученых. Однако в администрации Клинтона отмахнулись от этих обращений, дав понять, что дебаты о природе глобального изменения климата закончены.

На самом деле, к серьезным переменам климата приводят космические факторы. Температуру меняют колебания солнечная активность, а также изменения наклона земной оси, периода обращения нашей планеты. Такого рода флуктуации в прошлом, как известно, приводили к наступлению ледниковых периодов.

Вопрос глобального потепления - это вопрос политический . И здесь идет борьба двух направлений. Одно направление - это те, кто использует топливо, нефть, газ, уголь. Они всячески доказывают, что вред наносится переходом к ядерному топливу. А сторонники ядерного топлива доказывают обратное, что как раз наоборот - газ, нефть, уголь дают СО 2 и вызывают потепление. Вот это идет борьба двух крупных экономических систем.

Публикации на эту тему полны мрачных пророчеств. Я не согласен с такими оценками. Повышение среднегодовой температуры в пределах одного градуса за столетие не приведет к фатальным последствиям. Требуется огромное количество энергии, чтобы растопить лед Антарктиды, границы которой за все время наблюдений практически не ужались. По крайней мере в XXI веке климатические катаклизмы человечеству не грозят.

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.

Современная цивилизация оказывает на природу сильное влияние. Как правило, негативное. осушение болот и постоянный выброс в атмосферный воздух огромного количества вреднейших веществ - вот далеко не полный перечень «добродетелей» человечества. Многие считают, что к этой же категории принадлежит и парниковый эффект. Так ли все на самом деле?

Историческая справка

Кстати, а кем был автор парникового эффекта (то есть тем, кто открыл данное явление)? Кто впервые описал указанный процесс и рассказал о его влиянии на окружающую среду? Подобная идея появилась в далеком 1827 году. Автором научной статьи был Жозеф Фурье. В своем труде он описывал механизмы формирования климата на нашей планете.

Необычность этой работы для того времени была в том, что Фурье рассматривал температурно-климатические особенности разных поясов Земли. Вот кем был автор парникового эффекта, который впервые смог дать объяснение опыту Соссюра.

Эксперимент Соссюра

Чтобы убедиться в своих выводах, ученый использовал опыт М. де Соссюра, в котором используется сосуд, покрытый изнутри сажей, горловина которого закрыта стеклом. Де Соссюр ставил эксперимент, при проведении которого постоянно замерял температуру внутри и снаружи банки. Разумеется, она непрестанно повышалась именно во внутреннем объеме. Фурье впервые смог объяснить это явление совместным действием сразу двух факторов: блокированием теплообмена и различной проницаемостью стенок сосуда для световых лучей с разной длиной волны.

Механизм его довольно прост: при нагревании температура поверхности увеличивается, поглощается видимый свет, начинает излучаться тепло. Так как материал прекрасно пропускает видимый свет, но практически не проводит тепло, последнее аккумулируется во внутреннем объеме сосуда. Как видите, механизм парникового эффекта легко может быть обоснован каждым человеком, который изучал стандартный курс физики в школе. Явление достаточно простое, но сколько же бед оно приносит нашей планете!

Возникновение термина

Стоит знать, что Жозеф Фурье - автор парникового эффекта в плане его первоначального описания в литературе. Но кто придумал сам термин? Увы, на этот вопрос ответа мы уже наверняка не получим. В поздней литературе феномен, который был открыт Фурье, получил свое современное название. Сегодня каждый эколог знает термин «парниковый эффект».

Но главным открытием Фурье стало обоснование фактической идентичности атмосферы Земли и обыкновенного стекла. Проще говоря, атмосфера нашей планеты отлично проницаема для видимого светового излучения, но она плохо пропускает его в инфракрасном диапазоне. Накопив тепло, Земля практически не отдает его. Вот кем был автор парникового эффекта. Но почему возникает данный эффект?

Да, мы описали примитивный механизм его появления, но современная наука смогла доказать, что в обычных условиях ИК-лучи все же вполне свободно могут выходить за пределы планетарной атмосферы. Как же так получается, что природные механизмы регулировки «отопительного сезона» дают сбой?

Причины

В общем-то, мы достаточно подробно описали их еще в самом начале нашей статьи. Возникновению этого явления способствуют следующие факторы:

• Постоянное и неумеренное сжигание ископаемого топлива.
• В атмосферу планеты с каждым годом поступают все большие объемы промышленных газов.
• Леса постоянно вырубаются, их площади сокращаются из-за пожаров и деградации почвенного слоя.
• Анаэробное брожение, выброс метана со дна океанов.

Следует знать, что основными «виновниками», которые и запускают механизм парникового эффекта, являются пять следующих газов:

• Двухвалентный оксид углерода, он же углекислый газ. Парниковый эффект на 50% обеспечивается именно за его счет.
• Углеродные соединения хлора и фтора (25%).
• (8%). Токсичный газ, типичный отход плохо оснащенных химических и металлургических производств.
• Приземный озон (7%). Несмотря на свою важнейшую роль в защите Земли от избыточного ультрафиолетового излучения, может способствовать задержанию тепла на ее поверхности.
• Приблизительно 10% метана.

Откуда эти газы попадают в атмосферу? Каково их действие?

- Именно он в больших объемах попадает в атмосферу, когда человек сжигает ископаемое топливо. Приблизительно треть от его избыточного (выше природного) уровня обусловлена тем, что человек интенсивно уничтожает леса. Ту же функцию выполняет и постоянно ускоряющийся процесс опустынивания плодородных земель.

Все это означает уменьшение количества растительности, способной эффективно поглощать углекислый газ, который во многих отношениях стимулирует парниковый эффект. Причины и последствия этого явления взаимосвязаны: с каждым годом объем выбрасываемого в атмосферу двухвалентного оксида углерода вырастает приблизительно на 0,5%, что стимулирует как дальнейшее накопление избыточного тепла, так и процессы деградации растительного покрова на поверхности планеты.

- Хлорфторуглероды. Как мы уже говорили, данные соединения на 25% обеспечивают парниковый эффект. Причины и последствия этого явления изучены уже достаточно давно. В атмосфере они появляются из-за промышленного производства, особенно устаревшего. Опасные и токсичные хладагенты содержат эти вещества в огромном количестве, а меры по предотвращению их утечек явно не дают ожидаемого результата. Последствия их появления еще страшнее:

• Во-первых, они крайне ядовиты для человека и животных, да и для флоры соседство с соединениями фтора и хлора не слишком полезно.
• Во-вторых, данные вещества могут значительно ускорять развитие парникового эффекта.
• В-третьих, они разрушают который защищает нашу планету от агрессивного ультрафиолетового излучения.

- Метан. Один из наиболее важных газов, повышенное содержание которого в атмосфере подразумевает термин «парниковый эффект». Нужно знать, что всего за сто последних лет его объем в атмосфере планеты увеличился в два раза. В принципе, основная его масса поступает из вполне естественных источников:

• в Азии.
• Животноводческие комплексы.
• Системы очистки бытовых стоков крупных поселений.
• При гниении и разложении органики в глубине болот, на свалках.

Имеются сведения о том, что выбросы немалых количеств метана происходят из глубин Мирового океана. Возможно, этот феномен объясняется жизнедеятельностью крупных колоний бактерий, для которых метан является основным побочным продуктом метаболизма.

Нужно особенно подчеркнуть «вклад» в развитие парникового эффекта со стороны нефтедобывающих предприятий: немалое количество этого газа выбрасывается в атмосферу в качестве побочного продукта. Кроме того, постоянно расширяющаяся пленка нефтепродуктов на поверхности Мирового океана также способствует ускоренному разложению органики, что сопровождается выбросами метана.

- Оксид азота. В больших объемах образуется в процессе многих химических производств. Он опасен не только самым активным участием в парниковом механизме. Дело в том, что при соединении с атмосферной водой это вещество образует самую настоящую азотную кислоту, пусть даже и в слабой концентрации. Именно отсюда берут начало все которые крайне негативно сказываются на здоровье людей.

Теоретические сценарии глобальных климатических пертурбаций

Так каковы глобальные последствия парникового эффекта? Сложно сказать об этом наверняка, так как ученые пока что далеки от однозначного вывода. В настоящее время существует сразу несколько сценариев. Для разработки компьютерных моделей учитывается множество различных факторов, которые могут ускорять или замедлять развитие парникового эффекта. Давайте рассмотрим катализаторы этого процесса:

• Выделение описанных выше газов вследствие техногенной деятельности человека.
• Выброс СО 2 из-за термического разложения природных гидрокарбонатов. Интересно знать, что в коре нашей планеты содержится углекислого газа в 50000 раз больше, чем в воздушном пространстве. Конечно же, речь идет о химически связанном оксиде углерода.
• Так как основные последствия парникового эффекта - повышение температуры воды и воздуха на поверхности планеты, усиливается испарение влаги с поверхности морей и океанов. Как следствие, еще более ухудшается проницаемость атмосферы для инфракрасного излучения.
• В океанах содержится порядка 140 триллионов тонн углекислого газа, который при повышении температуры воды также начинает интенсивно выделяться в атмосферу, способствуя более динамичному развитию парникового процесса.
• Падение отражающей способности планеты, что приводит к ускоренному накоплению тепла ее атмосферой. Этому способствует и опустынивание земель.

Какие факторы замедляют развитие парникового эффекта?

Предполагается, что основное теплое течение - Гольфстрим - постоянно замедляется. В перспективе это вызовет значительное снижение температуры, что замедлит эффект накопления парниковых газов. Помимо этого на каждый градус общего потепления приблизительно на 0,5% увеличивается площадь облачности над всей территорией планеты, что способствует значительному уменьшению количества тепла, которое Земля получает из космоса.

Обратите внимание: суть парникового эффекта заключается в повышении общей температуры земной поверхности. Конечно же, ничего хорошего в этом нет, но именно вышеперечисленные факторы нередко способствуют и смягчению последствий данного явления. В принципе, именно поэтому многие ученые и считают, что сама тематика глобального потепления относится к категории вполне естественных явлений, которые за всю историю Земли происходили регулярно.

Чем выше испаряемость, тем больше становится ежегодное количество осадков. Это вызывает как восстановление болот, так и ускоренный рост флоры, которая отвечает за утилизацию излишков углекислого газа в атмосфере планеты. Предполагается также, что увеличившееся количество осадков в перспективе будет способствовать значительному расширению площади мелководных тропических морей.

Кораллы, которые в них обитают, являются важнейшими утилизаторами углекислого газа. Будучи химически связан, он идет на постройку их скелета. Наконец, если человечество хоть немного сократит темпы вырубки лесов, то их площадь довольно быстро восстановится, так как все тот же углекислый газ является прекрасным стимулятором для распространения растений. Так каковы возможные последствия парникового эффекта?

Основные сценарии будущего нашей планеты

В первом случае ученые предполагают, что глобальное потепление будет происходить достаточно медленно. И у такой точки зрения есть немало сторонников. Они считают, что Мировой океан, который является гигантским аккумулятором энергии, долгое время будет способен поглощать избытки тепла. Возможно, пройдет не одно тысячелетие, прежде чем климат на планете действительно переменится коренным образом.

Вторая группа ученых, напротив, выступает за сравнительно быстрый вариант катастрофических изменений. Эта проблема парникового эффекта в настоящее время весьма популярна, ее обсуждают едва ли не на каждом научном съезде. К сожалению, доказательств у указанной теории хватает. Считается, что за последние сто лет концентрация углекислого газа выросла минимум на 20-24%, а количество метана в атмосфере так и вовсе увеличилось на 100%. В самом пессимистичном варианте считается, что температура планеты к концу нынешнего столетия вполне может вырасти на рекордные 6,4°С.

Таким образом, в этом случае парниковый эффект в атмосфере Земли доставит попросту смертельные неприятности всем жителям прибрежных территорий.

Резкое увеличение уровня Мирового океана

Дело в том, что подобные температурные аномалии чреваты крайне резким и практически непрогнозируемым подъемом уровня Мирового океана. Так, с 1995 по 2005 гг. этот показатель составил 4 см, хотя ученые наперебой заявляли, что не стоит ждать подъема выше пары сантиметров. Если все продолжится в том же темпе, то к концу 21 века уровень Мирового океана станет минимум на 88-100 см больше современной нормы. Между тем, около 100 миллионов человек на нашей планете живут как раз на отметке в 87-88 см над уровнем океана.

Снижение отражающей способности поверхности планеты

Когда мы писали о том, в чем заключается парниковый эффект, в статье неоднократно упоминалось, что он стимулирует дальнейшее снижение отражающей способности поверхности Земли, чему способствуют вырубка лесов и опустынивание.

Многие ученые свидетельствуют, что ледяная шапка на полюсах может снижать общую температуру планеты минимум на два градуса, а тот лед, который покрывает поверхность полярных вод, сильно тормозит процесс выброса в атмосферу углекислого газа и метана. Кроме того, в районе полярных ледяных шапок вообще нет водяного пара, который существенно стимулирует глобальный парниковый эффект.

Все это так повлияет на мировой круговорот воды, что частота смерчей, чудовищных по своей разрушительной силе ураганов и торнадо вырастет в несколько раз, что сделает фактически невозможным проживание людей даже на тех территориях, которые весьма удалены от побережий океанов. К сожалению, перераспределение воды приведет и к противоположному явлению. Сегодня засухи являются проблемой 10% земного шара, а в будущем количество таких регионов вполне может вырасти сразу до 35-40%. Это печальная для человечества перспектива.

Для нашей страны прогноз в этом случае куда благоприятнее. Климатологи считают, что большая часть территории России будет вполне пригодна для нормального земледелия, климат станет намного мягче. Конечно, большую часть прибрежных территорий (а их у нас много) попросту затопит.

Третий сценарий предполагает, что краткий период повышения температуры сменится глобальным похолоданием. Мы уже говорили о замедлении Гольфстрима, о последствиях. Вообразите, что это теплое течение полностью остановится… Конечно, до событий, описанных в фильме «Послезавтра», дело не дойдет, но на планете точно станет значительно холоднее. Ненадолго, впрочем.

Некоторые математики придерживаются теории (смоделированной, естественно), согласно которой парниковый эффект на Земле приведет к тому, что лет на 20-30 климат в Европе станет ничуть не теплее, чем в нашей стране. Они же предполагают, что после этого продолжится потепление, сценарий которого описан во втором варианте.

Вывод

Как бы там ни было, но хорошего в прогнозах ученых не так уж много. Остается только надеяться на то, что наша планета представляет собой более сложный и совершенный механизм, чем мы себе представляем. Быть может, столь печальных последствий удастся избежать.