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 е
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 е
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.
2.2. Усиление
парникового эффекта в индустриальную эпоху
Усиление парникового
эффекта в индустриальную эпоху связано в первую очередь с возрастанием
содержания в атмосфере техногенного диоксида углерода за счет сжигания
ископаемых видов органического топлива предприятиями энергетики,
металлургическими заводами, автомобильными двигателями: С + О = СО2, С3H8+ 502
= ЗСО2 + 4Н2О, С25Н52 + 38О2 = 25СО2+26Н20, 2С8Н18+25О2 = 16СО2 + 18Н2О.
Количество техногенных
выбросов СО2 в атмосферу значительно возросло во второй половине XX в. Основной
причиной этого стала колоссальная зависимость мировой экономики от ископаемых
видов топлива. Индустриализация, урбанизация и стремительные темпы роста
населения планеты обусловили увеличение мирового спроса на электроэнергию,
удовлетворяющегося главным образом за счет сжигания горючих ископаемых. Рост
потребления энергии всегда считался не только важным условием технического
прогресса, но и благоприятным фактором существования и развития человеческой
цивилизации. Когда человек научился добывать огонь, произошел первый скачок в
изменении уровня жизни, энергоресурсами были мускульная сила человека и дрова.
Рост потребления
энергии в настоящее время составляет около 5% в год, что при росте населения
чуть менее 2% в год означает более чем двукратное увеличение душевого
потребления. В 2000 г. мир израсходовал более 16- 109 кВт -ч энергии, четверть
этого количества пришлась на США и столько же - на развивающиеся страны вместе
с Китаем (доля России - около 6%). В настоящее время ископаемые виды
органического топлива составляют более 90% всех первичных энергоресурсов,
обеспечивая 75% мирового производства электрической энергии. В результате
сжигания органического топлива только на тепловых электростанциях (ТЭС), не
считая работу автомобильных двигателей и металлургических предприятий, в
атмосферу ежегодно поступает более 5 млрд т углекислого газа (25% техногенных
выбросов диоксида углерода в атмосферу дают США и страны Евросоюза, 1 1% -
Китай, 9% - Россия).
С начала XX в., по
оценкам экспертов ООН, увеличение выбросов СО2 составляло от 0,5 до 5% в год. В
результате за последние сто лет только за счет сжигания топлива в атмосферу
поступило 400 млрд. т углекислого газа.
Развитие
индустриализации и экономической деятельности человека приводит к тому, что в
воздух выбрасывается все больше примесей, создающих знаменитый парниковый
эффект, - углекислого газа, метана и прочей «грязи». Это, соответственно,
приводит к тому, что среднегодовые температуры медленно, но верно
увеличиваются. Несмотря на то, что из года в год рост измеряется десятыми и
сотыми долями градуса, за десятилетия и века накапливаются вполне солидные
величины в несколько градусов по шкале Цельсия.
Последние климатические
модели дают следующий результат: к началу следующего века, то есть к 2100 году,
климат Земли станет теплее на 2-4,5 градуса относительно так называемого
«доиндустриального» уровня (то есть относительно того давнего периода, когда
промышленность еще не начала выбрасывать в атмосферу парниковые газы). Средняя
оценка колеблется в районе трех градусов.
Однако наиболее важно,
по-видимому, не то, насколько разогреется Земля в течение XXI века. Важнее то,
что научный мир в целом пришел к согласию относительно причин температурного
скачка. В течение последних 20-30 лет антропогенная теория глобального
потепления постоянно сталкивалась с критикой со стороны скептиков, полагавших,
что у климатических изменений могут быть и естественные причины. К 2007 году
подавляющее большинство ученых сошлось на том, что ни солнечная радиация, ни
вулканическая активность, ни иные природные явления не могут дать столь мощного
теплового эффекта.
3. Последствия усиления
парникового эффекта
Предположения, что
последствиями хозяйственной деятельности человека могут стать значительные
изменения климата, впервые были высказаны в конце XIX - начале XX в. В 1922 г. английский геолог Р.Шерлок выдвинул идею, что эти изменения напрямую связаны с увеличением
содержания углекислого газа в атмосфере и, следовательно, с возрастающими
масштабами использования ископаемого горючего топлива. Главным следствием
усиления парникового эффекта является повышение приземной температуры, которое
устойчиво наблюдается в последние десятилетия. В 1988 г. в Торонто состоялась первая Международная конференция по проблеме антропогенного изменения
климата. Ученые пришли к выводу, что последствия усиления парникового эффекта
из-за роста содержания в атмосфере углекислого газа уступают лишь последствиям
мировой ядерной войны. Тогда же при Организации Объединенных Наций была
образована Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата
- МГЭИК (IPCC-Intergovernmental Panel on Climate Change), которая занялась
всесторонним изучением влияния повышения приземной температуры из-за усиления
парникового эффекта на климат, экосистему Мирового океана, биосферу в целом, в
том числе на жизнь и здоровье населения планеты. По данным экспертов ООН, к 2025 г. повышение среднегодовой температуры у поверхности Земли может составить 2,5 °С, а к концу
столетия - почти 6 °С. Это приведет к нарушению природных механизмов
поддержания теплового баланса планеты и необратимо превратит Землю в
раскаленный ад, подобный Венере.
Иногда можно услышать,
что глобальное потепление выгодно России, поскольку она – «холодная страна». На
самом деле это не так. Если, например, для Москвы температурный разброс
составляет от -35 до +37 °С, то повышение температуры на 2 градуса не означает,
что амплитуда колебаний станет от -33 до +39 °С. По расчетам климатологов, при
этом минимальная температура станет еще меньше, а максимальная еще выше:
амплитуда московской температуры станет где-то от -40 до +40 °С. Среди
важнейших проблем, связанных с усилением парникового эффекта и потеплением
климата, приоритетной является повышение уровня Мирового океана за счет таяния
материковых ледников и морских льдов, теплового расширения океана. Подъем
уровня моря - уже реальный факт. За прошедшее столетие уровень Мирового океана
повысился, по разным оценкам, на 10-25 см (главным образом в последнюю четверть XX века), к 2025 г. возможно повышение уровня Мирового океана еще на 20-30 см, а к концу наступившего столетия - на 1-2 м. В докладе IPCC на заседании в Шанхае (январь 2001 г.) отмечено, что за последние десять лет толщина ледового покрова в Северном Ледовитом океане
сократилась на 40%, происходит интенсивное разрушение ледовых щитов Антарктиды
и Гренландии. Из-за таяния гренландских и арктических льдов происходит
замедление течения Гольфстрима, несущее миллионы миллиардов ватт тепла из
тропиков, согласно исследованиям американских ученых уже сейчас сила потока
уменьшилась на 10%. Исчезновение Гольфстрима приведет к существенным изменениям
климата Северной Атлантики: у побережья Британии температура может понизиться
на 5 °С, в других районах среднегодовая температура упадет на 10 °С. Прямое
воздействие повышения уровня Мирового океана - перемещение береговой линии. В
результате таяния льдов под водой окажутся многие прибрежные районы и острова,
вторжение фронта соленых морских вод в пресноводные реки вызовет засоление
пресноводных прибрежных акваторий. Все эти процессы глубоко затронут человеческое
общество, особенно густонаселенные приморские районы. Подъем уровня воды
вызовет затопление многих приморских городов, ухудшатся условия их
водоснабжения, серьезно пострадают места нерестилищ рыб. Подсчитано, что
повышение уровня океана на 1 м повлечет за собой колоссальные потери людских и
материальных ресурсов. Сотни миллионов людей на земном шаре вынуждены будут
мигрировать из прибрежных зон, дельт рек и с островов. Потепление приведет к
высвобождению метана, находящегося в зоне вечной мерзлоты в виде гидрата метана
(твердое соединение кристаллов воды и поглощенного под давлением газообразного
метана), таянию фунтов. Это создаст угрозу дорогам, строениям и коммуникациям,
в том числе газо- и нефтепроводам, буровым установкам и т. п., ухудшит
состояние лесных массивов на вечной мерзлоте. Произойдут существенные изменения
природных процессов в биосфере: - нарушение круговоротов главных биогенных
элементов; - изменение характера облачности и, как следствие, климатические изменения;
- изменение распределения осадков по регионам; - смещение климатических зон и,
в частности, расширение зон пустынь; - нарушение биологических ритмов развития
растений и длительные периоды неурожаев главных сельскохозяйственных культур.
Изменение средней приземной температуры приведет к перестройке биоты - всей
системы живых организмов Земли - и будет сопровождаться такими аномальными
явлениями, как распространение болезней, вредителей, так называемых
видов-гангстеров. Частично такие процессы уже начались: от короедов гибнут
еловые леса Нечерноземья. Разбалансировка системы регуляции климата проявляет
себя в виде учащения и усиления аномальных погодных явлений, таких, как штормы,
ураганы и торнадо, наводнения и цунами. Исследования показали, что в 2004 г. в мире произошло в два раза больше катаклизмов, чем предсказывали ученые. Проливные дожди над
Европой сменились засухой. Летом этого же года температура в ряде европейских
стран достигала 40 °С, хотя обычно максимальная температура не превышает 25-30
°С. И, наконец, 2004 год закончился сильнейшим землетрясением в Юго-Восточной
Азии (26 декабря), породившим цунами, в результате которого погибло сотни тысяч
человек.
Изменения климата могут
нанести миру ущерб в сотни миллиардов долларов, если не будут приняты срочные
меры по сокращению выбросов парниковых газов. Достаточно серьезны социальные
последствия изменения климата для России. В ряде регионов России участились
засухи, изменился паводковый режим, увеличиваются площади заболоченных земель,
сокращаются зоны уверенного земледелия. Все это наносит значительный урон
относительно бедным слоям населения, связанным с аграрным сектором.
Заключение
Таким образом, рост
средней температуры, изменения климата не проходят для экосистемы бесследно.
Условия существования живых организмов меняются, и это, в свою очередь, ведет к
трудно прогнозируемым последствиям, вымиранию одних видов и внезапному
распространению других.
Для человека, чьи
технологические способности к адаптации очень высоки, потепление - также
серьезный вызов, требующий перестройки системы приспособления. Так, в России
таяние вечной мерзлоты может повлечь за собой разрушение целых городов. А это
чревато уже не столько технологическими, сколько социальными последствиями.
Повышение уровня мирового океана грозит затоплением значительных территорий в
разных точках земного шара.
Само по себе глобальное
потепление не является для экосистемы Земли новым явлением. Температурные
изменения были и раньше (вспомните о ледниковых периодах), но никогда они не
были такими стремительными. В непредсказуемости изменения и заключается главная
угроза для человечества.
Последние полвека
наблюдается тенденция усиления парникового эффекта, имеющая общепланетарный
характер. По мнению многих ученых -климатологов и экологов, с этим явлением
связаны глобальные климатические изменения антропогенного характера. Это одна
из наиболее серьезных экологических угроз, ожидающих человечество в XXI
столетии.
Решить проблему помогут
возобновляемые источники энергии, развитие которых все еще очень сильно зависит
от участия государства. Здесь-то и возникает потребность в создании системы
стимулирования и контроля. Киотский протокол - лишь определенный этап на пути
создания такой системы в мировом масштабе.
2.
5.
Заварзин Г. А. «Становление биосферы» // Вестник Российской Академии наук, том
71, № 11, с. 988-1001 (2001)
3.
Монин
А.С., Шишков Ю.А. «Климат как проблема физики» // УФН, том 170, № 4, 2000 г.
4.
Мелешко
В.П., Катцов В.М, Спорышев П.В., Вавулин С.В., Говоркова В.А., «Изучение
возможных изменений климата с помощью моделей общей циркуляции атмосферы и
океана» // Изменения климата и их последствия.- Спб.: Наука, 2002.
5.
Яншин
А. «Опасен ли парниковый эффект» // Наука и жизнь. 1989. №12.
