Парниковый эффект в атмосфере нашей планеты вызван тем, что поток энергии в инфракрасном диапазоне спектра, поднимающийся от поверхности Земли, поглощается молекулами газов атмосферы, и излучается обратно в разные стороны, в результате половина поглощенной молекулами парниковых газов энергии возвращается обратно к поверхности Земли, вызывая её разогрев. Следует отметить, что парниковый эффект - это естественное атмосферное явление (рис.5). Если бы на Земле вообще не было парникового эффекта, то средняя температура на нашей планеты была бы около -21°С, а так, благодаря парниковым газам, она составляет +14°С. Поэтому, чисто теоретически, деятельность человека, сопряжённая с выбросом парниковых газов в атмосферу Земли, должна приводить к дальнейшему разогреву планеты. Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар (36-70%), углекислый газ (9-26%), метан (4-9%), галоуглероды, оксид азота.
Рис.
Угольные электростанции, заводские трубы, автомобильные выхлопы и другие созданные человечеством источники загрязнения вместе выбрасывают в атмосферу около 22 миллиардов тонн углекислого газа и других парниковых газов в год. Животноводство, применение удобрений, сжигание угля и другие источники дают около 250 миллионов тонн метана в год. Около половины всех парниковых газов, выброшенных человечеством, осталось в атмосфере. Около трёх четвертей всех антропогенных выбросов парниковых газов за последние 20 лет вызваны использованием нефти, природного газа и угля (рис.6). Большая часть остального вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой лесов.
Рис.
Водяной пар - самый главный на сегодня парниковый газ. Однако водяной пар участвует и во множестве других процессов, что делает его роль далеко неоднозначной в разных условиях.
Прежде всего, при испарении с поверхности Земли и дальнейшей конденсации в атмосфере, в нижние слои атмосферы (тропосферу) благодаря конвекции переносится до 40% от всего тепла, поступающего в атмосферу. Таким образом, водяной пар при испарении несколько понижает температуру поверхности. Но выделившееся в результате конденсации в атмосфере тепло идет на ее разогрев, и в дальнейшем, на разогрев и самой поверхности Земли.
Но после конденсации водяного пара образуются водяные капельки либо кристаллики льда, которые интенсивно участвуют в процессах рассеяния солнечного света, отражая часть солнечной энергии назад в космос. Облака, как раз представляющие из себя скопления этих капелек и кристалликов, увеличивают долю солнечной энергии (альбедо), отражаемой самой атмосферой обратно в космос (а дальше осадки из облаков могут выпасть в виде снега, увеличивая альбедо поверхности).
Однако у водяного пара, даже сконденсированного в капельки и кристаллики, все равно остаются мощные полосы поглощения в инфракрасной области спектра, а значит роль тех же облаков далеко не однозначна. Двойственность эта особенно заметна в следующих крайних случаях - при покрытии облаками неба в солнечную летнюю погоду температура на поверхности снижается, а если то же самое происходит зимней ночью, то наоборот, повышается. На окончательный результат влияет и положение облаков - на низких высотах мощная облачность отражает много солнечной энергии, и баланс может быть в данном случае в пользу антипарникового эффекта, а вот на больших высотах, разреженные перистые облака пропускают довольно много солнечной энергии вниз, но даже разреженные облака являются почти непреодолимы препятствием для инфракрасного излучения и, и тут можно говорить о преобладании парникового эффекта.
Еще одна особенность водяного пара - влажная атмосфера в некоторой степени способствует связыванию другого парникового газа - углекислого, и переносу его дождевыми осадками к поверхности Земли, где он в результате дальнейших процессов может быть израсходован в процессах образования карбонатов и горючих полезных ископаемых.
Человеческая деятельность очень слабо непосредственно влияет на содержание водяного пара в атмосфере - только лишь за счет роста площади орошаемых земель, изменения площади болот и работы энергетики, что на фоне испарения со всей водной поверхности Земли и вулканической деятельности ничтожно мало. Из-за этого довольно часто на нем мало акцентируется внимание при рассмотрении проблемы парникового эффекта.
Однако косвенное влияние на содержание водяного пара может быть очень велико, за счет обратных связей между содержанием водяного пара в атмосфере и потеплением, вызванном другими парниковыми газами, что мы сейчас и рассмотрим.
Известно, что при увеличении температуры увеличивается и испарение водяного пара, и на каждые 10 °С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается. Например, при 0 °С давление насыщенного пара составляет около 6 мб, при +10 °С - 12 мб, а при +20 °С - 23 мб.
Видно, что содержание водяного пара сильно зависит от температуры, и при понижении ее по каким-либо причинам, во-первых, понижается сам парниковый эффект водяного пара (благодаря уменьшившемуся содержанию), а во-вторых, происходит конденсация водяного пара, которая конечно, сильно тормозит понижение температуры за счет выделения конденсационного тепла, но зато уже после конденсации увеличивается отражение солнечной энергии, как самой атмосферы (рассеяние на капельках и кристаллах льда), так и поверхности (выпадение снега), что дополнительно понижает температуру.
При повышении температуры содержание водяного пара в атмосфере растет, его парниковый эффект увеличивается, что усиливает первоначальное повышение температуры. В принципе, растет и облачность (больше водяного пара попадает в относительно холодные области), однако крайне слабо - по данным И. Мохова порядка 0,4% на градус потепления, что не может сильно повлиять на рост отражения солнечной энергии.
Углекислый газ - второй по вкладу в парниковый эффект на сегодня, не вымораживается при понижении температуры, и продолжает создавать парниковый эффект даже при самых низких температурах, возможных в земных условиях. Вероятно, именно благодаря постепенному накоплению углекислого газа в атмосфере вследствии вулканической деятельности, Земля смогла выйти из состояния мощнейших оледенений (когда даже на экватор был покрыт мощнейшим слоем льда), в которые она попадала в начале и конце протерозоя.
Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и изменение земного климата связывают прежде всего с изменением баланса его поступления в атмосферу и выведения из нее.
Благодаря относительно высокой растворимости углекислого газа в воде, содержание углекислого газа в гидросфере (прежде всего океаны) сейчас составляет 4х104 Гт (гигатонн) углерода (отсюда и далее приводятся данные по СО2 в пересчете на углерод), включая глубинные слои (Путвинский, 1998). В атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х102 Гт углерода (Алексеев и др., 1999). Небольшим содержание СО2 в атмосфере было далеко не всегда - так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа, при существенно большем давлении и температуре (Сорохтин, Ушаков, 1997). Однако поступление значительных масс воды на поверхность Земли в результате дегазации недр, а также возникновение жизни обеспечило связывание почти всего атмосферного и значительной части растворенного в воде углекислого газа в виде карбонатов (в литосфере хранится около 5,5х107 Гт углерода (доклад МГЭИК, 2000)). Также углекислый газ стал преобразовываться живыми организмами в различные формы горючих полезных ископаемых. Кроме того, связывание части углекислого газа произошло и за счет накопления биомассы, общие запасы углерода в которой сравнимы с запасами в атмосфере, а учитывая еще и почвы - превышает в несколько раз.
Однако, нас прежде всего интересуют потоки, обеспечивающие поступление углекислого газа в атмосферу, и выводящие его из нее. Литосфера сейчас обеспечивает весьма небольшой поток углекислого газа, поступающего в атмосферу прежде всего благодаря вулканической деятельности - около 0.1 Гт углерода в год (Путвинский, 1998). Значительно большие потоки наблюдаются в системах океан (вместе с обитающими там организмами) - атмосфера, и наземная биота - атмосфера. В океан ежегодно поступает из атмосферы около 92 Гт углерода и 90 Гт возвращается обратно в атмосферу (Путвинский, 1998). Таким образом, океаном ежегодно дополнительно изымается из атмосферы около 2 Гт углерода. В то же время в процессах дыхания и разложения наземных умерших живых существ в атмосферу поступает около 100 Гт углерода в год. В процессах фотосинтеза наземной растительностью изымается из атмосферы тоже около 100 Гт углерода (Путвинский, 1998). Как мы видим, механизм поступления и изъятия углерода из атмосферы достаточно сбалансирован, обеспечивая приблизительно равные потоки. Современная жизнедеятельность человека включает в этот механизм все увеличивающийся дополнительный поток углерода в атмосферу за счет сжигания горючих ископаемых (нефть, газ, уголь и пр.) - по данным, например, за период 1989-99 гг., в среднем около 6,3 Гт в год. Также поток углерода в атмосферу увеличивается и за счет вырубки и частичного сжигания лесов - до 1,7 Гт в год (доклад МГЭИК, 2000), при этом прирост биомассы, способствующий поглощению СО2 составляет всего около 0,2 Гт в год вместо почти 2 Гт в год. Даже учитывая возможность поглощения около 2 Гт дополнительного углерода океаном, все равно остается довольно значимый дополнительный поток (к настоящему времени около 6 Гт в год), увеличивающий содержание углекислого газа в атмосфере. Кроме того, поглощение углекислого газа оканом уже в ближайшем будущем может уменьшится, и даже возможен обратный процесс - выделение углекислого газа из Мирового океана. Это связано с понижением растворимости углекислого газа при повышении температуры воды - так, например, при повышении температуры воды всего с 5 до 10 °С, коэффициент растворимости углекислого газа в ней уменьшается приблизительно с 1,4 до 1,2.
Итак, поток углекислого газа в атмосферу, вызываемый хозяйственной деятельностью не велик по сравнению с некоторыми естественными потоками, однако его нескоменсированность приводит к постепенному накоплению СО2 в атмосфере, что разрушает баланс поступления и изъятия СО2, складывавшийся за миллиарды лет эволюции Земли и жизни на ней.
Многочисленные факты геологического и исторического прошлого свидетельствуют о связи между изменениями климата и колебаниями содержания парниковых газов. В период от 4 до 3,5 млрд. лет назад яркость Солнца была примерно на 30% меньше, чем сейчас. Однако и под лучами молодого, «бледного» Солнца на Земле развивалась жизнь и образовывались осадочные породы: по крайней мере на части земной поверхности температура была выше точки замерзания воды. Некоторые ученые высказывают предположение, что в ту пору в земной атмосфере содержал ось в 1000 раз больше диоксида углерода , чем сейчас, и это компенсировало нехватку солнечной энергии, поскольку больше тепла, излучаемого Землей, оставалось в атмосфере. Усиливавшийся парниковый эффект мог стать одной из причин исключительно теплого климата позднее - в мезозойскую эру (эпоху динозавров). По данным анализа ископаемых остатков на Земле в ту пору было на 10-15 ос теплее, чем сейчас. Следует заметить, что тогда, 100 млн. лет назад и раньше, континенты занимали иное положение, чем в наше время, и океаническая циркуляция также была иной, поэтому перенос тепла от тропиков в полярные районы мог быть больше. Однако расчеты, выполненные Эриком Дж. Барроном, работающим сейчас в Пенсильванском университете, и другими исследователями, показывают, что с палеоконтинентальной географией могло быть связано не более половины мезозойского потепления. Остающуюся часть потепления легко объяснить ростом содержания диоксида углерода. Это предположение было впервые выдвинуто советскими учеными А. Б. Роновым из Государственного гидрологического института и М. И. Будыко из Главной геофизической обсерватории. Расчеты, подтверждающие это предложение, были проведены Эриком Барроном, Старли Л. Томпсоном из Национального центра атмосферных исследований (NCAR). Из геохимической модели, разработанной Робертом А. Бернером и Антонио К. Ласагой из Йельского университета и ныне покойным Робертом. Поля в штате Техас превратились в пустыню, после того как здесь в 1983 г. некоторое время продержалась засуха Такую картину, как показывают расчеты по компьютерным моделям, можно будет наблюдать во многих местах, если в результате глобального потепления уменьшится влажность почвы в центральных районах континентов, где сосредоточено производство зерна.
М. Гаррелсом из Университета Южной Флориды, следует, что диоксид углерода мог выделяться при исключительно сильной вулканической активности на срединно-океанических хребтах, где поднимающаяся магма формирует новое океаническое дно. Прямые свидетельства, указывающие на связь во время оледенений между содержанием в атмосфере парниковых газов и климатом, можно «извлечь» из пузырьков воздуха, включенных в антарктический лед, который образовался в древние эпохи в результате спрессовывания падающего снега. Группа исследователей, возглавляемая Клодом Лорью из Лаборатории гляциологии и геофизики в Гренобле, изучила колонку льда длиной 2000 м (соответствующую периоду продолжительностью 160 тыс. лет), полученную советскими исследователями на станции «Восток» в Антарктиде. Лабораторный анализ газов, заключенных в этой колонке льда, показал, что в древней атмосфере концентрации диоксида углерода и метана менялись согласованно и, что более важно, «в такт» с изменениями средней локальной температуры (она была определена по отношению концентраций изотопов водорода в молекулах воды). Во время последнего межледникового периода, продолжающегося уже 10 тыс. лет, и в предшествующее ему межледниковье (130 тыс. лет назад) продолжительностью также 10 тыс. лет, средняя температура в этом районе была на 10 ос выше, чем во время оледенений. (В целом на Земле в указанные периоды было на 5 ос теплее.) В эти же периоды в атмосфере содержал ось на 25% больше диоксида углерода и на 100070 больше метана, чем во время оледенений. Неясно, было ли причиной изменение содержания парниковых газов, а следствием климатические изменения или наоборот. Скорее всего, причиной оледенений были изменения орбиты Земли и особая динамика продвижения и отступания ледников; однако эти климатические колебания могли усиливаться благодаря изменениям биоты и колебаниям океанической циркуляции, влияющим на содержание парниковых газов в атмосфере. Еще более подробные данные о флуктуациях содержания парниковых газов и изменениях климата имеются для последних 100 лет, за которые произошло дальнейшее увеличение на 25% концентрации диоксида углерода и на 100% метана. «Записи» средней температуры на земном шаре для последних 100 лет были изучены двумя группами исследователей, возглавляемыми Джеймсом Э. Хансеном из Годдардовского института космических исследований Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства, и Т. М. Л. Уигли из Отдела климата Университета Восточной Англии.
Задержка тепла атмосферой - основной компонент энергетического баланса Земли (рис.8). Примерно 30% энергии, поступающей от Солнца, отражается (слева) либо от облаков, либо от частиц, либо от поверхности Земли; остальные 70% поглощаются. Поглощенная энергия переизлучается в инфракрасном диапазоне поверхностью планеты.
Рис.
Эти ученые воспользовались данными измерений на метеостанциях, разбросанных по всем континентам (группа из Отдела климата включила также в анализ данные измерений на море). Вместе с тем в двух группах были приняты разные методики анализа наблюдений и учета «искажений», связанных, например, с тем, что некоторые метеостанции за сто лет «переехали» на другое место, а некоторые, расположенные в городах, давали данные, «загрязненные» влиянием тепла, выделяемого промышленными предприятиями или накапливаемого за день зданиями и мостовой. Последний эффект, приводящий к появлению «островов тепла», очень заметен в развитых странах, например в США. Вместе с тем, даже если рассчитанную для США поправку (она была получена Томасом Р. Карлом из Национального центра климатических данных в Эшвилле, шт. Северная Каролина, и П. Д. Джоунсом из Университета Восточной Англии) распространить на все данные по земному шару, в обеих записях останется «<реальное» потепление величиной 0,5 О С, относящееся к последним 100 годам. В согласии с общей тенденцией 1980-е годы остаются самым теплым десятилетием, а 1988, 1987 и 1981 гг. - наиболее теплыми годами (в порядке перечисления). Можно ли считать это «сигналом» парникового потепления? Казалось бы, можно, однако в действительности факты не столь однозначны. Возьмем для примера такое обстоятельство: вместо неуклонного потепления, какое можно ожидать от парникового эффекта, быстрое повышение температуры, происходившее до конца второй мировой войны, сменилось небольшим похолоданием, продлившимся до середины 1970-х годов, за которым последовал второй период быстрого потепления, продолжающийся по сей день. Какой характер примет изменение температуры в ближайшее время? Чтобы дать такой прогноз, необходимо ответить на три вопроса. Какое количество диоксида углерода и других парниковых газов будет выброшено в атмосферу? Насколько при этом возрастет концентрация этих газов в атмосфере? Какой климатический эффект вызовет это повышение концентрации, если будут действовать естественные и антропогенные факторы, которые могут ослаблять или усиливать климатические изменения? Прогноз выбросов - нелегкая задача для исследователей, занимающихся анализом человеческой деятельности. Какое количество диоксида углерода попадет в атмосферу, зависит главным образом от того, сколько ископаемого топлива будет сожжено и сколько лесов вырублено (последний фактор ответствен за половину прироста парниковых газов с 1800 г. и за 20070прироста в наше время). И тот и другой фактор зависят в свою очередь от множества причин. Так, на потреблении ископаемого топлива сказываются рост населения, переход к альтернативным источникам энергии и меры по экономии энергии, а также состояние мировой экономики. Прогнозы в основном сводятся к тому, что потребление ископаемого топлива на земном шаре в целом будет увеличиваться примерно с той же скоростью, что и сегодня намного медленнее, чем до энергетического кризиса 1970-х годов. В результате эмиссия (поступление в атмосферу) диоксида углерода в ближайшие несколько десятилетий, будет увеличиваться на 0,5-2070 в год. Другие парниковые газы, такие как ХФУ, оксиды азота и тропосферный озон, могут вносить в потепление климата почти столь же большой вклад, что и диоксид углерода, хотя в атмосферу их попадает значительно меньше: объясняется это тем, что они более эффективно поглощают солнечную радиацию. Предсказать, какова будет эмиссия этих газов - задача еще более трудная. Так, например, не вполне ясно происхождение некоторых газов, в частности метана; величина выбросов других газов, таких как ХФУ или озон, будет зависеть от того, какие изменения в технологии и политике произойдут в ближайшем будущем.
Обмен углеродом между атмосферой и различными «резервуарами» на Земле (рис.9). Каждое число указывает в миллиардах тонн приход или уход углерода (в форме диоксида) за год или его запас в резервуаре. В этих естественных циклах, один из которых «замыкается» на сушу,а другой на океан, из атмосферы удаляется ровно столько диоксида углерода, сколько в нее поступает, однако человеческая деятельность - сведение лесов и сжигание ископаемого топлива - приводит к тому, что содержание углерода в атмосфере ежегодно повышается на 3 млрд. тонн. Данные заимствованы из работы Берта Болина, работающего в Стокгольмском университете
Рис.9
Предположим, мы имеем разумный прогноз того, как будет изменяться эмиссия диоксида углерода. Какие изменения в этом случае произойдут с концентрацией этого газа в атмосфере? Атмосферный диоксид углерода «потребляется» растениями, а также океаном, где он расходуется на химические и биологические процессы. С изменением концентрации атмосферного диоксида углерода будет, вероятно, меняться и скорость «потребления» этого газа. Иными словами, процессы, обусловливающие изменение содержания атмосферного диоксида углерода, должны включать обратную связь. Диоксид углерода является «сырьем» для фотосинтеза в растениях, поэтому потребление его растениями скорее всего будет увеличиваться с накоплением его в атмосфере, что замедлит это накопление. Аналогично этому, поскольку содержание диоксида углерода в поверхностных водах океана находится в примерном равновесии с его содержанием в атмосфере, увеличение поглощения диоксида углерода океанской водой приведет к замедлению его накопления в атмосфере. Может случиться, однако, что накопление в атмосфере диоксида углерода и других парниковых газов приведет в действие механизмы положительной Обратной связи, которые будут усиливать климатический эффект. Так, быстрые изменения климата могут привести к исчезновению части лесов и других экосистем, что ослабит способность биосферы поглощать диоксид углерода. Более того, потепление может привести к быстрому высвобождению углерода, содержащегося в почве в составе мертвой органической материи. Этот углерод, количество которого вдвое выше, чем в атмосфере, постоянно превращается в диоксид углерода и метан под действием почвенных бактерий. Потепление может ускорить их «работу», в результате чего ускорится выделение диоксида углерода (из сухих почв) и метана (из районов, занятых рисовыми полями, из свалок и заболоченных земель). Довольно много" метана запасено также в осадках на континентальном шельфе и ниже слоя вечной мерзлоты в Арктике в виде клатратов - молекулярных решеток, состоящих из молекул метана и воды. Потепление шельфовых вод и таяние вечной мерзлоты могут привести к высвобождению метана. Несмотря на указанные неопределенности, многие исследователи считают, что поглощение диоксида углерода растениями и океаном замедлит накопление этого газа в атмосфере - по крайней мере в ближайшие 50-100 лет. Типичные оценки, основанные на существующей в настоящее время скорости эмиссии, показывают, что из всего количества диоксида углерода, попадающего в атмосферу, оставаться там будет примерно половина. Из этого следует, что удвоение концентрации диоксида углерода по сравнению с 1900 г. (до уровня 600 млн. произойдет примерно между 2030 и 2080 гг. Вместе с тем другие парниковые газы будут, скорее всего, накапливаться в атмосфере быстрее.
По материалам Государственных докладов "О состоянии и охране окружающей среды Московской области в 2002-2003 годах" основными источниками загрязнения атмосферного воздуха на территории Московской области являются объекты теплоэнергетики, коммунального хозяйства, металлургии, машиностроения, химии, нефтехимии, производства стройматериалов, а также все виды автомобильного и авиационного транспорта. На долю выбросов в атмосферу от передвижных источников загрязнения падает около 70% от общего объема всех выбросов в атмосферу.
Наибольшее количество загрязняющих веществ в атмосферу выбрасывают ТЭЦ, ГРЭС, различные котельные, а также предприятия коммунального хозяйства (полигоны ТБО и очистных сооружений). По данным органов государственной статистики Московской области по выбросам от стационарных источников примерно в два раза опережает Москву.
В 2003 году валовый выброс вредных веществ в атмосферу по данным Государственного доклада составляет около 550 тыс. тонн. Наибольший выброс загрязняющих веществ в атмосферу приходится на Каширский (валовый выброс-122,6 тыс.т.), Шатурский (валовый выброс-105,9 тыс.т.), Люберецкий (валовый выброс-50 тыс.т.) и Ступинский (валовый выброс- 18, 6 тыс.т.) районы. На территориях этих районов располагаются соответственно Каширская ГРЭС, Шатурская ГРЭС, ТЭЦ-22 и ТЭЦ-17. При этом на каждого жителя Каширского района приходится 2,32т вредных веществ, в том числе взвешенных 0,83т.
Заметный вклад в валовый выброс от стационарных источников вносят муниципальные предприятия МП "Теплосети", котельные промышленных предприятий и организаций. Доля выбросов объектов теплоэнергетики составляет 50% общего валового поступления в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных источников. По основным выбросам от объектов теплоэнергетики по отдельным веществам: окислам азота, оксиду углерода, сернистому ангидриду вклад составляет более 75%.
Антропогенная деятельность человека приводит к выбросам парниковых газов в атмосферу. К числу парниковых газов относятся: диоксид углерода, метан, озон, закись азота, гексафторид, галоидуглероды. Парниковые газы в атмосфере задерживают инфракрасное излучение от Земли, что в конечном итоге может влиять на климат Земли.
Следует отметить, что выбросы серы из тепловых электростанций, работающих на угле и нефти, горение органических материалов приводит к образованию микроскопических частиц, которые способны назад в космос солнечный свет, а также воздействовать на облака. Возникающий в результате процесс охлаждения частично противодействует потеплению, вызванному парниковым эффектом. Образующиеся аэрозоли находятся в атмосфере относительно недолго по сравнению со стойкими парниковыми газами, поэтому охлаждающее воздействие носит локальный характер. Эти аэрозоли являются причиной кислотных дождей и низкого качества воздуха.
Диоксид углерода является одним из значимых парниковых газов. Этот газ появился в атмосфере естественным путем, однако сжигание угля, нефти и природного газа приводит к высвобождению с беспрецедентной скоростью заключенного в этих видах топлива углерода. В настоящее время вклад диоксида углерода в "усиленный парниковый эффект" составляет более 60%. На поставки и потребление иско-паемых видов топлива приходится приблизительно 95% выбросов диоксида углерода (СО2) в результате деятельности человека, а также значительное количество метана (СН4) и закиси азота (N2О). Поставки и потребление ископаемых видов топлива также приводит к выбросам окислов азота (NО2), углеводородов (НС) и оксида углерода (СО), которые не являются парниковыми газами, однако воздействуют на химические циклы в атмосфере, в результате которых происходит образование или распад других парниковых газов. Парниковые газы также выбрасываются в атмосферу в процессе добычи, обработки, транспортировки и распределения ископаемых видов топлива.
Новые технологии и политика в области энергетики способствуют снижению выбросов парниковых газов. К их числу следует отнести: повышение коэффициента полезного действия электростанций, более широкое использование для электроэнергетики возобновляемых источников энергии (ветер, солнце, небольшие гидроустановки). Промышленность может обеспечить дальнейшее снижение энергоемкости своей продукции и сократить при этом производственные издержки.
Более энергоэффективные технологии могут быть внедрены в жилом и коммерческом секторах. Эти усовершенствования включают в себя, в том числе, новые виды контроля над эксплуатацией зданий (потери тепла через стены, крыши) и за инженерными коммуникациями (теплоцентралями).
Ученые утверждают, что выбросы парниковых газов, обусловленных антропогенной деятельностью человека, уже нарушили глобальный тепловой баланс приблизительно на 2,5 Ватта на квадратный метр. Это составляет примерно 1% от результирующего поступления солнечной энергии, которая определяет климат.
Важным инструментом для сокращения выбросов парниковых газов должен стать Киотский протокол к Рамочной конвекции Организации Объединенных Наций об изменении климата, принятый в декабре 1997 года. Этот Протокол должен остановить и обратить вспять тенденцию увеличения выбросов парниковых газов. Развитые страны должны сократить свои общие выбросы шести основных парниковых газов не менее чем на 5%. Протокол призывает правительства сотрудничать друг с другом, повышать эффективность использования энергии, провести реформы в секторе энергетики и транспорта, содействовать использованию возобновляемых видов энергоресурсов.
После долгих обсуждений в среде специалистов экологов, климатологов, экономистов и политиков Россия в 2005 году подписала Киотский Протокол.
|
Рисунки 1, 2. Фрагменты изображений городской теплосети (г. Раменское, район ул. Десантной), полученные в осенний период года в видимом (а) и в инфракрасном (б) диапазонах спектра электромагнитных волн. |
|
Парниковый газ - это газ, который характеризуется прозрачностью, что обеспечивает невидимость, и высокой степенью поглощения в инфракрасном диапазоне. Выделение подобных веществ в окружающую среду становится причиной парникового эффекта.
Откуда берутся парниковые газы?
Парниковые газы присутствуют в атмосферах всех планет Солнечной системы. Высокая концентрация данных веществ становится причиной возникновения одноименного явления. Речь идет о парниковом эффекте. Для начала стоит сказать о его положительной стороне. Именно благодаря данному явлению, на Земле поддерживается оптимальная температура для зарождения и поддержания различных форм жизни. Тем не менее, когда концентрация парниковых газов завышена, можно говорить о серьезной экологической проблеме.
Изначально причиной появления парниковых газов были естественные природные процессы. Так, первые из них образовались в результате нагревания Земли солнечными лучами. Таким образом, часть тепловой энергии не уходила в космическое пространство, а отражалась газами. В результате создавался эффект нагревания, аналогичный тому, который происходит в теплицах.
В тот момент, когда климат Земли только формировался, значительная доля парниковых газов вырабатывалась вулканами. На тот момент водяной пар и углекислый газ в огромных количествах попадали в атмосферу и концентрировались в ней. Тогда парниковый эффект был настолько сильным, что Мировой океан буквально закипал. И лишь с появлением на планете зеленой биосферы (растений) ситуация стабилизировалась.
Сегодня проблема парникового эффекта особенно актуальна. Она во многом обусловлена развитием промышленности, а также безответственного отношения к природным ресурсам. Как ни странно, не только промышленное производство становится причиной ухудшения экологии. Даже такая безобидная на первый взгляд отрасль, как сельское хозяйство, также представляет собой опасность. Наиболее разрушительным является животноводство (а именно продукты жизнедеятельности крупного скота), а также использование химических удобрений. Также неблагоприятно сказывается на атмосфере выращивание риса.
Водный пар
Водяной пар - это парниковый газ естественного происхождения. Несмотря на то что он выглядит безобидным, именно на него приходится 60 % парникового эффекта, который является причиной глобального потепления. Учитывая, что температура воздуха непрерывно повышается, значение концентрации водяного пара в воздухе становится все выше, а потому есть основания говорить о замкнутой цепи.
Положительной стороной испарения воды можно считать так называемый антипарниковый эффект. Данное явление заключается в формировании значительной массы облаков. Они, в свою очередь, в некоторой степени защищают атмосферу от перегрева посредством попадания солнечных лучей. Поддерживается некоторое равновесие.
Углекислый газ
Углекислый газ - парниковый газ, который является одним из самых распространенных в атмосфере. Его источником могут послужить вулканические выбросы, а также процесс жизнедеятельности биосферы (а особенно человека). Безусловно, часть углекислого газа поглощается растениями. Тем не менее за счет процесса гниения они выделяют аналогичное количество данного вещества. Ученые утверждают, что последующее увеличение концентрации газа в атмосфере может привести к катастрофическим последствиям, а потому постоянно проводятся изыскания путей очищения воздуха.
Метан
Метан - это парниковый газ, который живет в атмосфере около 10 лет. Учитывая, что этот период является сравнительно коротким, у данного вещества наблюдается наибольший потенциал для устранения последствий глобального потепления. Несмотря на это, парниковый потенциал метана более, чем в 25 раз опаснее углекислоты.
Источник парниковых газов (если речь идет о метане) - это продукты жизнедеятельности скота, выращивание риса, а также процесс горения. Наибольшая концентрация данного вещества наблюдалась в первом тысячелетии, когда сельское хозяйство и скотоводство были основными видами деятельности. К 1700 году данный показатель значительно снизился. На протяжении нескольких последних столетий концентрация метана снова стала расти, что связано с большим количеством сжигаемого топлива, а также разработкой месторождений угля. На данный момент отмечается рекордный показатель метана в атмосфере. Тем не мене за последнее десятилетие скорость роста данного показателя немного замедлилась.
Озон
Без такого газа, как озон, жизнь на Земле была бы невозможной, ведь он выступает в качестве барьера от агрессивных солнечных лучей. Но защитную функцию выполняет лишь стратосферный газ. Если же говорить о тропосферном, то он является токсичным. Если принять во внимание данный парниковый газ в пересчете на углекислый газ, то на него приходится 25 % эффекта глобального потепления.
Время жизни вредного озона составляет около 22 дней. Он удаляется из атмосферы путем связывания в почве и последующего разложения под действием ультрафиолета. Отмечается, что показатель содержания озона может значительно варьироваться по географическому признаку.
Закись азота
Около 40% закиси азота поступает в атмосферу из-за использования удобрений и развития химической промышленности. Наибольшее количество данного газа вырабатывается в тропических районах. Здесь эмитируется до 70 % вещества.
Новый газ?
Недавно канадские ученые заявили, что открыли новый парниковый газ. Его название - перфтортрибутиламин. С середины ХХ века он используется в области электротехники. В природе данное вещество не встречается. Ученые выяснили, что PFTBA прогревает атмосферу в 7000 раз сильнее, чем углекислый газ. Тем не менее на данный момент концентрация данного вещества ничтожно мала и не несет угрозы экологии.
На данный момент задача исследователей заключается в том, чтобы контролировать количества данного газа в атмосфере. Если будет отмечен рост показателя, это может привести к значительному изменению климатических условий и радиационного фона. На данный же момент нет оснований принимать какие-либо меры по реорганизации производственного процесса.
Немного о парниковом эффекте
Для того чтобы в полной мере оценить разрушительную силу парникового эффекта, стоит обратить внимание на планету Венера. Из-за того что ее атмосфера практически полностью состоит из углекислого газа, температура воздуха у поверхности достигает 500 градусов. Учитывая выбросы парниковых газов в атмосферу Земли, ученые не исключают аналогичного развития событий в будущем. на данный же момент планету во многом спасают океаны, которые способствуют частичному очищению воздуха.
Парниковые газы образуют своего рода барьер, который нарушает циркуляцию тепла в атмосфере. Именно это и является причиной парникового эффекта. Данное явление сопровождается значительным повышением среднегодовой температуры воздуха, а также учащению природных катаклизмов (особенно в прибрежных зонах). Это чревато исчезновением многих видов животных и растений. На данный момент ситуация настолько серьезная, что решить проблему парникового эффекта полностью уже нельзя. Тем не менее еще возможно контролировать данный процесс и смягчать его последствия.
Возможные последствия
Парниковые газы в атмосфере - это основная причина изменения климата в сторону потепления. Последствия могут быть следующими:
- Повышение влажности климата за счет увеличения количества осадков. Тем не менее это справедливо только для тех регионов, которые и так постоянно страдают от аномальных ливней и снегопадов. А в засушливых районах ситуация станет еще более плачевной, что приведет к дефициту питьевой воды.
- Повышение уровня мирового океана. Это может привести к затоплению части территорий островных и прибрежных государств.
- Исчезновение до 40 % видов растений и животных. Это прямое последствие изменения среды обитания и роста.
- Уменьшение площади ледников, а также таяние снега на горных вершинах. Это опасно не только в плане исчезновения видов флоры и фауны, но также в плане схода лавин, селей и оползней.
- Снижение производительности сельского хозяйства в странах с засушливым климатом. Там же, где условия можно считать умеренными, есть вероятность повышения урожайности, но это не спасет население от голода.
- Нехватка питьевой воды, которая связана с иссушением подземных источников. Это явление может быть связано не только с перегреванием Земли, но также с таянием ледников.
- Ухудшение состояния здоровья человека. Это связано не только с ухудшением качества воздуха и повышенной радиацией, но также и с сокращением количества продуктов питания.
Уменьшение выбросов парниковых газов
Не секрет, что состояние экологии Земли с каждым годом ухудшается. Расчет парниковых газов приводит к неутешительным выводам, а потому актуальным становится принятие мер по уменьшению количества выбросов. Этого можно достичь следующим образом:
- повышение эффективности производства с целью сокращения количества используемых энергетических ресурсов;
- охрана и увеличение количества растений, которые выступают поглотителями парниковых газов (рационализация ведения лесного хозяйства);
- поощрение и поддержка развития форм сельского хозяйства, которые не наносят вреда окружающей среде;
- разработка финансовых стимулов, а также снижение налогообложения для предприятий, которые работают в соответствии с концепцией экологической ответственности;
- принятие мер по снижению выброса парниковых газов транспортными средствами;
- увеличение штрафных санкций за загрязнение окружающей среды.
Расчет парниковых газов
Все субъекты хозяйствования обязаны регулярно рассчитывать ущерб, нанесенный окружающей среде, и подавать отчетную документацию в соответствующие органы. Так, количественное определение выбросов парниковых газов осуществляется следующим образом:
- выявление количества топлива, которое сжигается в течение года;
- умножение полученного показателя на коэффициент выбросов по каждому виду газа;
- объем выбросов каждого вещества пересчитывается в эквиваленте углекислого газа.
Источники выбросов, связанные со сжиганием топлива
Развитие научно-технического прогресса, безусловно, облегчает жизнь человеку, но наносит непоправимый вред окружающей среде. Во многом это связано со сжиганием топлива. В связи с этим источники парниковых газов могут быть следующими:
- Энергетическая отрасль. Сюда входят электростанции, которые снабжают ресурсами промышленные предприятия и жилые объекты.
- Промышленность и строительство. К данной категории относят предприятия всех отраслей. Учет осуществляется по топливу, использованному в процессе производства, а также на вспомогательные нужды.
- Транспорт. Вредные вещества в атмосферу выделяют не только автомобили, но также воздушные средства передвижения, поезда, водный транспорт и трубопроводы. Учитывается только топливо, использованное на непосредственное перемещение грузов или пассажиров. Затраты энергии на внутренние хозяйственные перевозки сюда не относятся.
- Коммунальный сектор. Это сфера услуг и ЖКХ. Значение имеет тот объем топлива, который был потрачен на обеспечение конечного энергопотребления.
Проблема парниковых газов в России
Масса выбросов парниковых газов в России с каждым годом возрастает. Если рассмотреть структуру загрязнений по секторам, то картина будет следующей:
- энергетическая отрасль - 71 %;
- добыча топлива - 16 %;
- промышленное производство и строительство - 13 %.
Таким образом, приоритетным направлением в работе по снижению выбросов вредных газов в атмосферу является именно энергетический сектор. Показатель использования ресурсов отечественными потребителями более чем в 2 раза превышает мировой показатель и в 3 раза - европейский. Потенциал снижения энергопотребления достигает 47 %.
Заключение
Загрязнение парниковыми газами является глобальной проблемой и рассматривается на самом высоком международном уровне. Тем не менее она касается каждого отдельно взятого человека. Таким образом, должно присутствовать чувство персональной ответственности за состояние окружающей среды. Минимальный вклад каждого человека - это высадка зеленых насаждений, соблюдение правил противопожарной безопасности в лесах, а также использование в быту безопасных продуктов и товаров. Если говорить о будущих перспективах, речь может идти о переходе на электромобили и безопасное отопление жилых домов. Огромный вклад в сохранение окружающей среды призвана внести пропагандистская и просветительская деятельность.
Ответ редакцииВ понедельник, 30 ноября, на которой ожидается подписание глобального соглашения по снижению странами выбросов парниковых газов. Новое соглашение придёт на смену Киотскому протоколу . Конференция продлится до 11 декабря, в ней принимают участие 150 глав государств и правительств.
О том, что представляют собой парниковые газы, рассказывает АиФ.ru.
Парниковые газы — это группа газообразных соединений, которые входят в состав атмосферы Земли. Они практически не пропускают через себя тепловое излучение, исходящее от планеты. Таким образом, по мнению ряда исследователей, слой парниковых газов сильно воздействует на климат, нагревая атмосферу Земли. Этот процесс также часто называют «парниковым эффектом».
Виды парниковых газов
В список парниковых газов, согласно приложению «А» к Киотскому протоколу, входят следующие соединения:
Водяной пар — самый распространенный парниковый газ. Данных о росте его концентрации в атмосфере нет.
Диоксид карбона (углекислый газ) (СО2) — важнейший источник климатических изменений, на долю которого может приходиться около 64% глобального потепления.
Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются:
Закись азота (N2O) — третий по значимости парниковый газ Киотского протокола. На него приходится около 6 % глобального потепления. Выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т.п.
Перфторуглероды — ПФУ (Perfluorocarbons — PFCs). Углеводородные соединения, в которых фтор частично замещает углерод. Основными источниками эмиссии этих газов является производство алюминия, электроники и растворителей.
Гидрофторуглероды (ГФУ) — углеводородные соединения, в которых галогены частично замещают водород.
Гексафторид серы (SF6) — парниковый газ, использующийся в качестве электроизоляционного материала в электроэнергетике. Выбросы происходят при его производстве и использовании. Чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения. Поэтому это соединение, даже при относительно небольших выбросах, обладает потенциальной возможностью влиять на климат в течение продолжительного времени в будущем.
Сокращение выбросов парниковых газов
1. Повышение эффективности использования энергии в соответствующих секторах национальной экономики;
2. Охрана и повышение качества поглотителей и накопителей парниковых газов с учетом своих обязательств по соответствующим международным природоохранным соглашениям; содействие рациональным методам ведения лесного хозяйства, облесению и лесовозобновлению на устойчивой основе;
3. Поощрение устойчивых форм сельского хозяйства в свете соображений, связанных с изменением климата;
4. Содействие внедрению, проведению исследовательских работ, разработка и более широкое использование новых и возобновляемых видов энергии, технологий поглощения диоксида углерода и инновационных экологически безопасных технологий;
5. Постепенное сокращение или устранение рыночных диспропорций, фискальных стимулов, освобождение от налогов и пошлин, субсидий, противоречащих цели Конвенции, во всех секторах-источниках выбросов парниковых газов и применение рыночных инструментов;
6. Поощрение надлежащих реформ в соответствующих секторах в целях содействия осуществлению политики и мер, ограничивающих или сокращающих выбросы парниковых газов;
7. Меры по ограничению и/или сокращению выбросов парниковых газов на транспорте;
Ограничение и/или сокращение выбросов метана путем рекуперации и использования при удалении отходов, а также при производстве, транспортировке и распределении энергии.
Данные положения Протокола носят общий характер и предоставляют Сторонам возможность самостоятельно выбирать и реализовывать тот комплекс политики и мер, который будет в максимальной степени соответствовать национальным обстоятельствам и приоритетам.
Парниковые газы в России
Основной источник выбросов парниковых газов в России это:
- энергетический сектор (71%);
- добыча угля, нефти и газа (16%);
- промышленность и строительство (около 13%).
Таким образом, наибольший вклад в снижение выбросов парниковых газов в России может внести реализация огромного потенциала энергосбережения. В настоящее время энергоемкость экономики страны превышает среднемировой показатель в 2,3 раза, а средний показатель для стран ЕС — в 3,2 раза. Потенциал энергосбережения в России оценивается в 39-47% текущего потребления энергии, и, в основном, он приходится на производство электроэнергии, передачу и распределение тепловой энергии, отрасли промышленности и непроизводительные энергопотери в зданиях.
Киотский протокол — международное соглашение, принятое в Киото (Япония) в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК). Оно обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов.
Производственная деятельность человека влечет за собой вредные воздействия на атмосферу. Данный фактор уже стал банальностью и на него обращают внимание разве что специалисты в экологической сфере. Между тем вредные выбросы ставят все более острые вопросы перед организациями, занимающимися глобальными изменениями климата. В списке наиболее острых проблем на конференциях, посвященных экологии, регулярно фигурирует парниковый газ как один из самых опасных факторов влияния на атмосферу и биоту. Дело в том, что газообразные соединения этого типа не могут пропускать тепловые излучения, что способствует нагреву атмосферы. Существует несколько источников образования таких газов, среди которых и биологические явления. А теперь стоит подробнее ознакомиться с составом парниковых смесей.
Водяной пар как основной парниковый газ
Газы этого типа формируют порядка 60% от общего объема веществ, благодаря которым создается По мере роста показателей температуры Земли также увеличиваются испарение и общая концентрация в атмосфере. В то же время сохраняется прежний уровень влажности, что и способствует парниковому эффекту. Природная сущность, которой обладает парниковый газ в виде пара, несомненно, имеет положительные стороны в деле естественной регуляции атмосферного состава. Но есть и негативные последствия этого процесса. Дело в том, что на фоне повышения влажности происходит и наращивание облачной массы, которая отражает прямые лучи солнца. В результате имеет место уже антипарниковый эффект, при котором уменьшается интенсивность теплового излучения и, соответственно, прогрева атмосферы.
Углекислый газ
Среди главных источников выбросов этого типа можно назвать вулканические извержения, человеческую деятельность и процессы, происходящие в биосфере. К источникам антропогенного характера можно отнести сжигание топливных материалов и биомассы, промышленные процессы и другие факторы, приводящие к образованию углекислоты. Это тот самый парниковый газ, который активно участвует в процессах биоценоза. Он же является и самым долговечным с точки зрения пребывания в атмосфере. По некоторым сведениям, дальнейшее скапливание углекислоты в атмосферных слоях ограничено риском последствий не только для равновесия в биосфере, но и для существования человеческой цивилизации в целом. Именно такие представления являются основной мотивацией для выработки мер, противодействующих парниковому эффекту.
Метан
Сохраняется в атмосфере порядка 10 лет. Прежде считалось, что действие метана на стимуляцию парникового эффекта в 25 раз превышает углекислоту. Но последние научные исследования дали еще более пессимистичные результаты - оказалось, что потенциал воздействия этого газа был недооценен. Впрочем, ситуацию смягчает небольшой период, в ходе которого атмосфера сохраняет метан. Парниковый газ этого типа появляется в результате антропогенной деятельности. Это может быть рисоводство, пищеварительная ферментация, сведение лесных массивов и т. д. По некоторым исследованиям, интенсивный рост метановой концентрации имел место в первом тысячелетии нашей эры. Такие явления были связаны именно с расширением скотоводства и сельхозпроизводства, а также с выжиганием лесов. В последующие столетия уровень концентрации метана снижался, хотя в наши дни наблюдается обратная тенденция.
Озон
В составе парниковых газообразных смесей находятся не только опасные с точки зрения компоненты, но и благотворные части. К таким относится озон, защищающий Землю от ультрафиолетового света. Впрочем, и здесь не все однозначно. Ученые разделяют этот газ на две категории - тропосферный и стратосферный. Что касается первого, то он может представлять опасность из-за своей токсичности. Вместе с этим повышенное содержание тропосферных элементов способствует росту парникового эффекта. При этом стратосферный слой выступает основной защитой перед воздействиями вредных излучений. В регионах, где парниковый газ данного типа имеет повышенную концентрацию, наблюдают сильные воздействия на растительность, которые проявляются в угнетении фотосинтетического потенциала.
Противодействие парниковому эффекту
Существует несколько направлений, в которых ведется работа над методами сдерживания данного процесса. Среди основных мер выделяется применение инструментов регуляции взаимодействия накопителей и поглотителей парниковых газов. В частности, природоохранные соглашения на местном уровне способствуют активному развитию лесных хозяйств. Здесь же стоит отметить мероприятия по лесовозобновлению, которые уже в будущем позволят минимизировать парниковый эффект. Газ, выбрасываемый в атмосферу от производств, также поддается сокращению во многих отраслях. Для этого вводятся мероприятия по ограничению выбросов на транспорте, в производственных сферах, на электростанциях и т. д. С этой целью разрабатываются альтернативные методы переработки топлива и системы газовыведения. Например, в последнее время активно внедряется система рекуперации, благодаря которой предприятия оптимизируют процессы удаления своих отходов.
Заключение
В процессах образования парникового эффекта деятельность человека играет не самую большую роль. Это видно по доле объемов газа, которые вырабатываются антропогенными источниками. Однако именно эти вредные выбросы являются наиболее опасными для атмосферы. Поэтому экологические организации рассматривают парниковый газ как фактор негативного изменения климата. В итоге применяются средства, позволяющие сдерживать распространение и накопление вредных веществ, способствующих повышению риска глобального потепления. Причем борьба с вредными выбросами ведется в самых разных направлениях. Это касается не только заводов и предприятий, но и продукции, предназначенной для индивидуального использования.