Материал: Решение проблемы депонирования углерода на государственном и межгосударственном уровнях

Еще один парниковый газ - озон, который взаимодействует как с ультрафиолетовым, так и с инфракрасным излучением. Его вклад в парниковый эффект составляет сейчас около 2,4 °С. Однако благодаря человеческой деятельности его содержание в атмосфере, в общем, понизилось за последние десятилетия (в стратосфере заметно понизилось, но в тропосфере повысилось), благодаря чему его парниковый эффект оказался ниже, чем мог бы быть, на несколько десятых долей градуса. Несмотря на весьма малое содержание озона в атмосфере, его способность поглощать инфракрасное излучение намного выше, чем у углекислого газа, что объясняет столь значимый вклад в общий парниковый эффект. Однако озон поглощает и ультрафиолетовое излучение, что снижает приток энергии от Солнца к земной поверхности, поэтому влияние озона на баланс рассматриваемых потоков энергии довольно неоднозначно.

Закись азота дает сейчас около 1,4 °С в общий парниковый эффект. Ее концентрация тоже растет благодаря человеческой деятельности (за счет сжигания различных отходов прежде всего), но не столь быстро, как у углекислого газа. Как и у озона, способность поглощать инфракрасное излучение у закиси азота значительно выше, чем у углекислого газа (в 310 раз), что объясняет ее заметный вклад в парниковый эффект при значительно меньших концентрациях в атмосфере.

Однако наиболее пристальное внимание стоит обратить на метан, хотя пока еще его вклад в общий парниковый эффект составляет около 0,8 °С. Его способность поглощать инфракрасное излучение больше чем у углекислого газа в 21 раз (на единицу массы). При этом его концентрация растет очень быстро - с начала индустриальной эпохи она выросла на 150% (причем в основном в последние десятилетия).

Удельное поглощение земного инфракрасного излучения очень велико и у фреонов - в 3-13 тыс. раз выше, чем у углекислого газа той же массы. Однако содержание фреонов в атмосфере еще очень мало для мощного парникового эффекта, и навряд ли вырастет сильно в ближайшем будущем - природных источников фреонов не существует, все производство и выделение их в атмосферу обусловлено только человеческим фактором, потребности же в них вырастут в обозримом будущем довольно незначительно. К тому же сейчас происходит замена использовавшихся типов фреонов на новые, которые обладают значительно меньшим временем жизни в атмосфере и будут довольно быстро из нее выводиться, практически не накапливаясь.

Кроме парниковых газов, на баланс потоков энергии, проходящих через атмосферу, серьезно влияют и атмосферные аэрозоли, которые, несмотря на небольшое свое содержание в атмосфере (всего около 60 млн. тонн), довольно сильно влияют на ее оптические свойства. Солнечное излучение, проходя через атмосферу к поверхности, испытывает рассеяние на частицах аэрозолей и молекулах газов, что ослабляет доходящий до поверхности поток и возвращает часть его назад в космос.

Частички сажи в атмосфере тоже относят к аэрозолям. Находясь на разных высотах, они по-разному влияют на радиационный баланс поверхности Земли. Они интенсивно поглощают излучение непрерывного спектра в широкой области (и видимой, и инфракрасной), в дальнейшем переизлучая его в инфракрасной области. Находясь, в нижних слоях атмосферы и выпадая на поверхность, они способствуют их разогреву, а вот находясь в верхних слоях атмосферы, они, фактически, преграждают путь части солнечной радиации. Знаменитые расчеты «ядерной зимы» как раз и основаны на предположении, что в результате военного столкновения большие массы сажевых частиц попадут в верхние слои атмосферы.

Следует заметить, что антипарниковый эффект отнюдь не уменьшает действие парникового эффекта так сильно, как это можно было бы подумать. Парниковый эффект действует в любое время суток, а антипарниковый эффект только днем. К тому же парниковый эффект достаточно равномерно распределен по земному шару. А антипарниковый эффект от промышленных выбросов сульфатных аэрозолей привязан в основном к северному полушарию - мировая промышленность, основная часть которой сосредоточена именно в северном полушарии, выбрасывает аэрозоли в тропосферу, а время жизни их в тропосфере невелико (порядка недели, а то и меньше), и достигнуть другого полушария они часто не успевают.

.4 Парниковый эффект и климат

Парниковым эффектом атмосферы называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой. Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна +15 °С, а ее эффективная температура -18 °С, следовательно, парниковый эффект на Земле сейчас равен +33 °С. Вполне очевидно, что такой слабый парниковый эффект только лишь создает благоприятные условия жизни на Земле. Но повышение парникового эффекта может быть уже не столь благоприятно, и существенно отразится на человечестве уже при потеплении всего на несколько градусов. А в условиях небывало быстрого потепления, происходящего сейчас, вполне реальна ситуация, когда компенсационные механизмы, существующие в климатической системе, окажутся неспособными предотвратить дальнейшее усиление парникового эффекта. В этом случае положительные обратные связи между повышением температуры и повышением содержания парниковых газов в атмосфере могут привести к потеплению уже на десятки, и даже сотни градусов.

Суть парникового эффекта состоит в том, что безоблачная атмосфера подобно стеклу (полиэтилену) в парниках довольно слабо задерживает солнечную радиацию и в значительной степени поглощает длинноволновое (инфракрасное) излучение земной поверхности, способствуя тем самым сохранению тепла в атмосфере. Полиэтилен поглощает как длинноволновую, так и коротковолновую радиацию. В атмосфере полной аналогии этому явлению не наблюдается, тем не менее, понятие "парниковый эффект" прочно вошло в мировую литературу. Этот термин связан с геоэкологическими проблемами и, в первую очередь, с глобальными изменениями природной среды и климата.

Средняя температура у земной поверхности определяется интенсивностью солнечной радиации, приходящей на Землю. Количество солнечной радиации, отражаемой обратно в космос, зависит от облачности, состава атмосферных золей и альбедо земной поверхности, которое в свою очередь определяется растительностью, влажностью почвы, снежным покровом и количеством излучения атмосферы, поступающего к земной поверхности. Последняя величина зависит от содержания парниковых газов, которые в основном прозрачны для солнечной радиации, но поглощают тепловое излучение земной поверхности и нижних слоев атмосферы. Нагревающаяся атмосфера излучает тепло, что приводит к дополнительному нагреванию земной поверхности.

Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО₂) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяется примерно 140 млрд. т СО₂) и катализирует парниковый эффект. При этом в атмосфере остается только 35-45% СО₂, образующегося при сжигании топлива, остальная часть углекислого газа поглощается океаном (главным образом, его холодными участками) и растительностью (с увеличением концентрации СО₂ в атмосфере активнее идет процесс фотосинтеза).

По мнению многих ученых, в XX в. содержание СО₂ в воздухе нижней части атмосферы увеличилось с 0,028% в 1956 г. до 0,034% в 1985 г. Предполагается, что к началу XXI столетия среднеглобальная температура приземного слоя воздуха увеличится на 1-2 °С по сравнению с доиндустриальным периодом, а к 2025 г. - на 2-3 °С. Рост концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере и связанное с ним возможное планетарное потепление климата отмечают многие исследователи. По данным зарубежных исследователей, в конце XXI в. дополнительное накопление СО₂ в воздухе приведет к повышению планетарной температуры на 3 °С, при этом повышение температурного режима по широте (от экватора к полюсам) может составить 7-8 °С в средних широтах и 12 °С на полюсах. Это приведет к аридизации климата и расширению площадей засушливых областей.

Справедливости ради, надо отметить, что не все ученые едины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО₂ на климат Земли. Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранее колебания температуры земной поверхности связаны с естественными природными причинами, такими, как периодическое изменение светимости Солнца, вулканические извержения, явление Эль-Ниньо, процессы в биосфере.

По данным МГЭИК повышение температуры при удвоении концентрации парниковых газов находится в пределах 1,5-4,5 °С.

Но, по мнению акад. Кондратьева К.Я. и его сотрудников, существует много неопределенностей, связанных с ролью парниковых газов в потеплении климата. Общие оценки выбросов углерода за счет сжигания ископаемых топлив, вырубки лесов, изменения землепользования без их количественной привязки к человеческому фактору не дают возможности адекватно моделировать круговорот антропогенных выбросов углерода.

Они считают, что в ХХI веке вклад антропогенного вмешательства в потепление может быть весьма скромным - не более 0,5-0,6 °С.

А также нет убедительного ответа на вопрос, почему инструментальные данные не подтверждают основополагающий вывод МГЭИК о более существенном потеплении полярных регионов. Эти расхождения между реальными и модельными данными не являются малозначимыми.

Несомненно, зависимость между температурой и количеством парниковых газов существует. Но возникает вопрос: «Что первично?» Повышение температуры или же увеличение антропогенных выбросов СО₂.

Возможно, на данном этапе происходит тепловое загрязнение. То есть выделение большого количества тепла человеком повышает глобальную температуру атмосферы, тем самым, увеличивая концентрацию свободного углерода за счет выделения его из океана.

По мнению академика РАЕН О.Г. Сорохтина, насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температуры планеты.

Объясняются эти, казалось бы, парадоксальные, результаты тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим тропосферы, являются давление атмосферы и ее эффективная теплоемкость. Действительно, нагретые за счет поглощения инфракрасного (теплового) излучения объемы воздуха расширяются, становятся легче окружающих воздушных масс и поэтому быстро поднимаются вверх, вплоть до низов стратосферы, где они и теряют избытки своего тепла в результате радиационного излучения. Таким образом, насыщение атмосферы углекислым газом может привести только к ускорению конвективного массообмена в тропосфере, но не к изменению ее температурного режима. Из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом, углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и, подобно тонкому одеялу, хуже сохраняет тепло на поверхности планеты по сравнению с более толстым «пуховым» одеялом азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоемкостью.

Из приведенных оценок, по мнению О.Г. Сорохтина, следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осредненных показателей теплового режима Земли и парникового эффекта атмосферы. Если же глобальный климат Земли в настоящее время все-таки действительно испытывает заметное потепление, то, скорее всего, это окажется временным явлением, и причину ему надо искать в других процессах и явлениях. Например: в неравномерности солнечного излучения, в прецессии собственного вращения Земли, в неустойчивости океанических течений или в изменениях их циркуляции, вызванных другими причинами.

Однако даже в том случае, если воздействие выбросов углерода на климат окажется меньше, чем мы сейчас предполагаем, удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере. Изменение соотношения О₂ / СО₂ может оказать сильное влияние на биологическое равновесие в тонком биосферном слое планеты, поскольку кислород и углекислый газ являются ключевыми субстратами важнейших жизненных процессов. Опасность современной экологической ситуации таится в том, что к резкому изменению состава атмосферы быстрее всего будут адаптироваться простейшие виды организмов; отсюда высокая вероятность появления новых форм болезнетворных микроорганизмов. Этот фактор риска в полной мере может быть отнесен к последствиям сжигания ископаемого органического топлива.

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и потепление земного климата связывают, прежде всего, с увеличением его поступления в атмосферу.

Еще одним компонентом углеродного цикла является метан. Ранее считалось, что поток метана из недр Земли невелик, и его практически не учитывали. Поток метана в атмосферу может значительно увеличиться при разрушении метангидратов, обнаруженных в последние десятилетия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана.

Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО₂) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяется примерно 140 млрд. т СО₂) и катализирует парниковый эффект.

Но не все ученые едины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО₂ на климат Земли. Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранее колебания температуры земной поверхности связаны с естественными природными причинами. По мнению академика РАЕН О.Г.Сорохтина, насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температуры планеты.

Прослеживая эволюцию содержания углекислого газа в геологические периоды, можно определить зависимость между содержанием СО₂ и переходом от оледенения к межледниковью. В результате интенсивного извлечения углекислого газа из атмосферы происходило падение парникового эффекта и наступало мощное оледенение. Ледяной покров и низкие температуры сильно угнетали фотосинтез, приводили к отмиранию значительной части биомассы, извлечение углекислоты из атмосферы сильно замедлялось. Происходило накопление углекислого газа в атмосфере благодаря вулканической деятельности, а также возвращение его в атмосферу от окислившейся органики. В свою очередь, происходившее потепление снижало растворимость углекислого газа в воде и приводило к его переходу в атмосферу, что еще более увеличивало парниковый эффект. Итак, оледенение отступало до тех пор, пока расплодившаяся биота опять не выводила почти все запасы углекислого газа из атмосферы, и цикл начинался опять.

Любопытно также, что по данным ледниковых кернов, при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО2 и температура меняются синхронно, то при обратном переходе (например, 115 и 75 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура. Эта альтернативная точка зрения может стать научной базой для решения данной проблемы.

Глава 3. Способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере

.1 Глобальное потепление климата и протокол Киото

Климат Земли становится все мягче. Границы сплошных морских льдов смещаются все дальше и дальше на север. Спутниковые фотографии со всей неопровержимостью показывают, что покров арктических льдов с 1970 по 2002 год сократился примерно на 25%. Физические причины глобальных изменений климата изучаются давно. Сегодня его основной движущей силой принято считать так называемый парниковый эффект, который создают парниковые газы. Главную опасность составляет углекислый газ. По мнению ряда ученых, глобальное потепление климата связано именно с ростом объема его выбросов. Количество парниковых газов в воздухе стало заметно расти после начала промышленной революции в Европе, около 1750 года.