Парниковый эффект

Солнечное излучение, пойдя через озоновый слой, достигает поверхности земли в виде мягкого ультрафиолета, видимых лучей и инфракрасного (теплового) излучения. Часть энергии солнечной радиации поглощается атмосферными газами, и некоторая часть достигает поверхности Земли, передавая поток радиации живым организмам, гидросфере и суше. В свою очередь Земля испускает коротковолновое и инфракрасное излучение в направлении космического пространства. Не все излучение, направленное от поверхности Земли в космос, покидает атмосферу. Пары воды, углекислый газ, метан (парниковые газы) задерживают часть ИК-излучения, выполняя важную роль регуляторов постоянного среднегодового температурного режима на планете. Без парникового эффекта, проявляемого атмосферой, планета имела бы у поверхности среднюю температуру  15 ⁰С вместо +18 ⁰С, существующей в настоящее время.

Распределение потока длинноволновой и коротковолновой радиации в атмосфере представлено на рисунке 22 [14].

Из-за парниковых газов, которые возвращают часть излучения назад на Землю, поток, который падает на Землю (146 единиц), больше потока, приходящего от Солнца (100 единиц). Помимо этого с тепловым потоком возвращается назад часть энергии в форме теплоты (7 единиц) и 24 единицы с потоком испарения. При этом сохраняется баланс потоков приходящих (+100 единиц) и уходящих (100 единиц) в космос и приходящих и уходящих с поверхности Земли (+146, 146 единиц).

Рис. 22. Распределение потоков коротковолновой и длинноволновой радиации в атмосфере в процентах. За 100% радиации Солнца принят поток, равный 342 ВТ/м² [14]

За последние 1000 лет среднегодовые температуры у земной поверхности, полученные путем реконструкции палеоклимата и с помощью современных метеорологических данных, менялись следующим образом. В течение предыдущих 900 лет температура упала в среднем на 0.2 ⁰С, а за последние 100 лет увеличилась в среднем на 0.6 ⁰С. Динамический процесс испарения с поверхности Мирового океана воды и конденсация образовавшегося водяного пара сохраняет массу водяных паров в атмосфере в течение года постоянной. На фоне паров воды, выполняющих функцию парникового газа, прирост парниковых газов происходит главным образом за счет увеличивающейся концентрации СО₂.

Полученные данные свидетельствуют о том, что рост концентрации парниковых газов (СО₂, СН₄ и др.), является причиной изменения температуры у поверхности Земли.

У парниковых газов различные концентрации в атмосфере и разная способность поглощать ИК-излучение. Учет этих факторов позволяет расположить все парниковые газы по степени парникового эффекта в ряд (табл. 9).

Т а б л и ц а 9

Парниковая эффективность различных газов по сравнению с эффективностью СО₂, рассчитанная на одну молекулу газа [14]

Газ	Относительная эффективность
СО2 СН4 N2O CH3CCl3` СНF2Cl (HCFC-22*) CFCl3 (CFC-11*) CF2Cl2 (CFC-12*)	1 30 200 1 230 7 500 22 000 25 000

*) торговое обозначении хладоагентов (фреонов).

Изменение парникового эффекта состоит в том, что по мере роста концентрации парниковых газов и, прежде всего, СО₂, возрастает доля дополнительно поглощенной лучистой энергии, которая превращается в кинетическую энергию атмосферных газов, что означает повышение глобальной среднегодовой температуры на планете на некоторую величину Т.

Дополнительное повышение температуры на планете, связанное с антропогенным увеличением содержания парниковых газов и получило название парникового эффекта.

Однако, сжигание каменного угля, мазута, природного газа, бензина, керосина, дизельного топлива, разработка природных ископаемых вызывает неконтролируемое накопление в атмосфере диоксида углерода (IV) (рис. 23) и метана.

Еще в середине XVIII века, до начала промышленной революции содержание СО₂ в атмосфере было около 0,027%, то в настоящее время концентрация его достигла 0,0381%. Меняется скорость ежегодного прироста: в 90-е годы она составляла 1,3% от текущей величины, а за 2000-2006 гг. – уже 3,3%. Таких темпов прироста не наблюдалось за последнюю тысячу лет [44] (рис. 23.).

Конц. СО₂ в млн долях

Янв Апр Июль Окт Янв

Годовой цикл

Рис. 23.Изменение содержания СО₂ в атмосфере с1958 по 2006 год, по данным обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях. На фоне основного тренда видны повторяющиеся каждый год сезонные колебания, связанные с фотосинтезом наземной растительности На врезке дан типичный годовой цикл [43,44]

Содержание углекислого газа в атмосфере могло бы расти гораздо быстрее, однако, примерно половина того количества СО₂, которое попадает в атмосферу при техногенных процессах окисления связывается в результате фотосинтеза наземной растительности и в меньшем объеме океанического фитопланктона [41]. Не смотря на сжигание огромного количества ископаемого топлива, соотношение поступления СО₂ в атмосферу и наблюдаемая его концентрация не меняется. Иными словами, биосфера поглощает все большее абсолютное количество углерода.

Ученые в настоящее время [44] сосредоточили свое внимание на тенденции увеличения СО₂ в атмосфере и регулярных сезонных колебаний его концентрации, происходящих на фоне роста концентрации СО₂.

Врезка на рис. 23 показывает, что небольшие но регулярные сезонные колебания концентрации СО₂, возникают из-за того, что процесс фотосинтеза растений происходит в теплый период года с конца весны и до окончания лета. Осенью и зимой он не возможен. Поступление в атмосферу углекислого газа целиком определяется дыханием бактерий и грибов, которое происходит более длительный период времени. В результате связывается СО₂ гораздо больше, чем выделяется. Как только фотосинтез ослабляется, соотношение потребления и выделения СО₂ сдвигается в сторону выделения и концентрация СО₂ в воздухе незначительно, но неуклонно растет [42].

Незначительный прирост содержания парниковых газов в атмосфере может привести к значительным изменениям климата на планете. Уже сейчас происходит таяние арктических льдов, разрушение шельфового льда Антарктиды, уменьшение толщины ледяного покрова Гренландии. Последний оказывает существенное воздействие на теплое течение Гольфстрим и, следовательно, на температуру Европейской части планеты.

Существующее тепловое равновесие между различными энергетическими составляющими зависит от состава атмосферы. Чем больше относительное содержание парниковых газов, тем больше разогревается атмосфера. Потепление на планете имеет далеко идущие последствия. Постепенное повышение температуры уже сейчас грозит таянием ледников Антарктиды, повышением уровня мирового океана, затоплением многих районов суши на планете и глобальным потеплением.

Ученые прогнозируют изменение климата на планете, рассчитывают изменение концентрации парниковых компонент, и их влияние на изменение температуры земной поверхности. Созданный в начале века Межправительственный комитет по изменению климата (IPCC – Internation Panel on Climat Change) предложил 4 сценария дальнейшего развития мира и соответствующие меры по регулированию выбросов парниковых газов [14]. По этим сценариям были рассчитаны возможное изменение температуры на планете в последующие 100 лет. Получилось, что в любом случае температура будет расти и средний прирост составит от 2,2 до 4,3 градуса. Вклад диоксида углерода в суммарный парниковый эффект при этом возрастет от 60% в 1990 году до 7585% в 2100 году. На остальные парниковые газы придется от 15 до 25% общего эффекта, примерно по одной трети на метан, озон и все остальные газы [14].

Как мы показали выше, проблема парникового эффекта рассматривается с позиции прогрева атмосферы за счет поглощения инфракрасного излучения и передача энергии в тропосфере главным образом радиационным путем [4,14]. Глобальный климат Земли испытывает в настоящее время заметное потепление в результате дополнительных антропогенных выбросов в атмосферу такого парникового газа как СО₂. О таком эффекте выбросов СО₂ свидетельствуют данные определения содержания углекислого газа в пробах воздуха из древних слоев фирна Гренландии и Антарктиды, а также в теплые климатические эпохи, например, мелового периода [4]. Установлено, что в периоды межледниковых потеплений концентрация углекислого газа в атмосфере Земли существенно возрастала.

Существует и другая точка зрения на природу парникового эффекта. Если принять во внимание высокую плотность газа в тропосфере, то следует рассматривать, прежде всего, конвективный перенос энергии в форме тепла и прогрев воздуха в тропосфере с точки зрения адиабатической теории парникового эффекта [30-32].

С этой позиции парниковый эффект определяют интенсивностью солнечного излучения, давлением атмосферы и ее теплопроводностью. Если принять эту точку зрения, то повышение парциального давления СО₂ в атмосфере может быть не причиной потепления климата, а его следствием. Тогда истинная причина изменения климата на планете должна быть связана с глобальными температурными изменениями. По мере повышения средней глобальной температуры на планете происходит дегазация Мирового океана, в водах которого углекислого газа по оценкам ряда авторов примерно в 60 раз больше, чем в атмосфере.