Парниковый эффект

Парниковый эффект в атмосфере Земли

Парнико́вый эффе́кт — защитное действие атмосферы в процессе лучистого теплообмена Земли с космическим пространством и свойство атмосферы сохранять тепло, излучаемое земной поверхностью.

Парниковым эффектом также называют повышение температуры земной поверхности за счёт обратного излучения из атмосферы. Эффект базируется на способности атмосферы пропускать коротковолновые видимые лучи Солнца к земной поверхности и нагревать её. В результате нагревания Земля излучает длинноволновые инфракрасные невидимые для человеческого глаза лучи, большая часть которых задерживается атмосферой и нагревает её. Нагретая таким образом атмосфера посылает к Земле встречное излучение, компенсируя большей частью потерю тепла земной поверхностью. Таким образом, парниковый эффект существовал в природе независимо от деятельности человека и без него жизнь на Земле была бы невозможна.

В последние 50 лет усилилось антропогенное воздействие на земную атмосферу. В результате этого произошло усиление парникового эффекта и глобальное потепление климата на Земле.

Причины возникновения парникового эффекта

Основной причиной является экспоненциальный рост самого населения на земном шаре. Для получения нового жизненного пространства осуществляется массовое уничтожение тропических лесов, которые являются мощным продуцентом кислорода и поглотителем углекислого газа из атмосферы. Ежегодно в мире уничтожается от 16 до 20 млн га тропических лесов. Общая фитомасса планеты способна абсорбировать только 60% от общего количества отходов так называемых «парниковых газов».

К основным парниковым газам относятся: углекислый газ СО₂, метан СН₄ и оксид азота N₂O. Эти газы наиболее активно поглощают инфракрасное излучение. В парниковом эффекте принимают участие также озон, водяной пар и другие, менее распространенные газы.

Основную роль в возникновении парникового эффекта играет углекислый газ, который в земной атмосфере действует как стекло в парнике: пропускает солнечный свет и задерживает земное излучение. В начале ХХ века содержание углекислого газа стало резко увеличиваться, что вызывало тревогу учёных, поскольку увеличение содержания углекислого газа в атмосфере в два раза вызовет потепление у земной поверхности на 3 ^оС, а в высоких широтах — в 2—3 раза больше.

Моделью парникового эффекта является климат на Венере. Её собственная атмосфера, которая на 98% состоит из углекислого газа, за счёт этого явления раскалена до 500 ^оС (при такой температуре железо становится красным).

В 90-х годах прошлого столетия обнаружилось, что, кроме СО₂ парниковый эффект вызывают и некоторые другие газы. Эти газы называют «парниковыми» или малыми примесями. Математическое и компьютерное моделирование процессов парникового эффекта свидетельствует, что удвоение в атмосфере содержания окиси азота N₂О увеличило бы температуру на 0,7 ^оС, метана СН₄ — на 0,4 ^оС, водяного пара Н₂О — на 0,3 ^оС, фторхлорметанов или фреонов СFCl₃, CF₂Cl₂ и т. д. — на 0,8 ^оС.

Источники образования углекислого газа

Источники образования и круговорот углерода в природе

Основными источниками выбросов углекислого газа в атмосферу являются процессы сжигания твёрдого и жидкого топлива. Следом идут — сжигание лесов, производство цемента, сжигание факелов природного газа при добыче нефти. В мире функционирует более 1300 крупных ТЭС, которые ежедневно сжигают 4,5 млрд тонн угля. Более 50 государств мира добывают и используют его как источник энергии и тепла для промышленных и коммунальных нужд. Продолжается рост валовой добычи каменного угля в Китае, Индии, Бразилии, которые владеют его стратегическими запасами. Только в КНР по итогам 2023 года добыча угля достигла 4,66 млрд тонн.

Ежегодно сжигается 3,2 млрд тонн нефти и нефтепродуктов. При сжигании каменного угля образуется больше углекислого газа на 1 единицу энергии, чем при сгорании нефти и природного газа. На 1 тонну сожжённого угля приходится 2,5 тонны углекислого газа, пыли, твёрдых отходов (шлак, зола). Кроме того, в атмосферу попадает немало оксидов серы и азота, которые, кроме теплового эффекта, вызывают кислотные дожди и токсично действуют на живые организмы.

Выбросы СО₂ транспортными средствами. Некоторые виды транспорта оказывают большее воздействие на окружающую среду по сравнению с другими

От вырубки и сжигания лесов, расчистки земель под пастбища и пашни в атмосферу поступает дополнительно 1—2 млрд тонн углекислого газа; около 5—6 млрд тонн — вследствие сжигания ископаемого органического топлива. Дополнительный углекислый газ накапливается в атмосфере быстрее, чем поглощается путём биологических процессов, усиливая природный парниковый эффект.

Доли различных государств в глобальных выбросах углекислого газа такие:

• США — 22 %;
• Россия и Китай — по 11 %;
• Германия и Япония — по 5 %.

Специалистами установлено, что в 1980 году в 1 м³ воздуха находилось 280 см³ углекислого газа, в 1990 году — 355 см³, а в начале XXI века его содержание составило около 500 см³.

Источники выбросов метана

Источники метана разнообразны:

• биогенный метан возникает в результате химической трансформации органического вещества;
• в результате деятельности бактерий образуется бактериальный (или микробный) метан;
• термогенный метан возникает при термохимических процессах.

Бактериальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоёмов, в результате процессов пищеварения в желудках насекомых и животных (преимущественно жвачных). Термогенный метан возникает в осадочных породах при их погружении на глубины 3—10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и давлений. В результате химических реакций неорганических соединений образуется абиогенный метан. Он образуется обычно в мантии Земли на больших глубинах. Крупнейшие источники выбросов метана — рисовые поля, домашний скот, анаэробная ферментация мусора, добыча угля и транспортировка природного газа.

Метан находится в атмосфере в основном в приземном слое в тропосфере. Концентрация метана мало зависит от высоты, что обусловлено большой скоростью перемешивания в тропосфере в сравнении со временем жизни метана в атмосферном воздухе.

Последствия усиления парникового эффекта

Положительные стороны парникового эффекта

Положительная сторона парникового эффекта в том, что благодаря ему охлаждение земной поверхности ночью значительно уменьшается. В безоблачную ночь температура воздуха вследствие излучения земной поверхности сильно понижается по сравнению с дневной; в этих случаях наблюдается большая разность между максимальной и минимальной температурой суток (суточная амплитуда). Весной и осенью при ночном прояснении неба температура воздуха у поверхности земли нередко понижается до отрицательных значений, образуются заморозки. Плотный облачный покров ночью задерживает излучение земной поверхности и значительно ослабляет понижение температуры. Так, если вечерняя температура воздуха ниже 0 ^оС в ясную ночь, то в пасмурную ночь минимальная температура воздуха и почвы остается положительной. В этом случае действует парниковый эффект, благодаря которому часть поглощённого тепла облака излучают в мировое пространство, а часть, отражая, возвращают на Землю. При отсутствии облаков тепловые лучи Земли свободно уходят в космическое пространство, вследствие чего земная поверхность и прилегающий слой воздуха быстро охлаждаются.

Отрицательные стороны парникового эффекта

Как свидетельствуют расчёты учёных, увеличение среднегодовой температуры Земли на 2,5 ^оС вызовет значительные изменения на Земле, большинство которых для человечества будет иметь негативные последствия. Парниковый эффект изменит такие критически важные переменные величины, как осадки, ветер, слой облаков, океанские течения, а также размеры полярных ледовых шапок. Внутренние районы континентов станут более сухими, а побережья более влажными, зимы — короче и теплее, а лето — более долгим и жарким. Основные климатические зоны сместятся на север (в Северном полушарии) приблизительно на 400 км. Это вызовет потепление в зоне тундры, таяние слоя вечной мерзлоты в высоких широтах. Ученые отмечают неуклонное уменьшение толщины паковых льдов в Арктике, а граница вечной мерзлоты отступает к северу ежегодно на 10 км. С одной стороны, улучшатся условия судоходства в полярных морях, которые практически освободятся ото льда, с другой — значительно увеличиться количество опасных для судоходства айсбергов, особенно в Атлантическом и Индийском океанах, то есть на наиболее загруженных судоходных трассах.

Глобальное потепление климата Земли

Основным следствием парникового эффекта является глобальное потепление климата Земли. При глобальном потеплении изменится характер температур — сезонный и региональный. Наибольшие изменения будут наблюдаться зимой в высоких широтах. Летом температурные изменения здесь будут почти вдвое меньшими, чем зимой. В зоне между экватором и 60-й параллелью температурные изменения будут незначительными. По мере потепления климата более интенсивное проникновение тёплого влажного воздуха в направлении полюса может привести к увеличению количества осадков в этих широтах.

Другая сторона глобального потепления — значительное увеличение засушливости в средних широтах, то есть в основных зерновых районах (Украина, чернозёмная зона России, Кубань, «зерновые» штаты США). Климат здесь станет полупустынным, и урожаи зерна резко сократятся.

Климатические изменения могут происходить не только из-за влияния человека на состав атмосферы, а и по причине изменения им типа поверхности Земли. Замена лесов культурными плантациями приводит к снижению испарения и увеличению прямой теплоотдачи. Уменьшается жёсткость поверхности, что влияет на циркуляцию воздушных масс в слоях атмосферы. Кроме того, человечество ещё и непосредственно подогревает атмосферу Земли за счёт сжигания большого количества нефти, угля, торфа, а также работы АЭС.

Повышение уровня Мирового океана

Следующее следствие — повышение уровня Мирового океана в результате таяния небольших ледников и теплового расширения океанических вод. Парниковый эффект может привести к таянию морских льдов Арктики, являющихся составной частью общей климатической системы Земли. Их исчезновение будет сопровождаться резким повышением температуры нижних слоёв атмосферы в холодное время года.

Температура подлёдной воды в районе Северного полюса уже выросла почти на 2 ^оС, что вызвало подтаивание льда снизу. За последние несколько десятков лет толщина ледового покрова в Северном Ледовитом океане сократилась на 40 %. По разным прогнозам, до 2100 года вследствие таяния льдов уровень моря поднимется почти на 1 метр. Это вызовет затопление многих прибрежных районов, где живут миллионы людей, где расположены порты, города. Например, такая густонаселенная страна, как Бангладеш, практически полностью будет затоплена, пойдёт под воду Венеция (Италия).

Мероприятия по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу

Человечество способно непреднамеренно изменить климат, причем за более короткое время, чем это делала природа. Поэтому решение проблемы предупреждения изменений климата должно включать внедрение комплекса технических, административных и экономических мер.

Технические мероприятия предусматривают, прежде всего, внедрение эффективных путей производства и использования энергии:

• снижение потребления топлива с высоким содержанием углерода (например, переход с угля на газ);
• усовершенствование технологии сжигания угля;
• внедрение технологии высокоэффективного производства энергии (газовые турбины);
• использование неископаемых источников энергии (введение возобновляемых экологически чистых источников);
• разработка технологий поглощения углекислого газа из атмосферы.

Среди технических мероприятий также лесонасаждение и увеличение продуктивности лесов. Лесные массивы служат воздушным фильтром, поддерживают водный баланс водоёмов и обладают огромным потенциалом поглощения и накопления углерода. Восстановление леса является эффективным инструментом декарбонизации — поглощения углекислого газа, который оказывается в атмосфере как в силу естественных природных причин, так и в результате деятельности человека. Именно поэтому проекты, связанные с лесоразведением, — хороший пример решения экологических проблем. Учёными были разработаны программы лесоразведения, согласно которым ежегодное высаживание 1 млрд деревьев в течение нескольких лет позволит снизить содержание углекислого газа в атмосфере на 5% (в ближайшие 20 лет).

В современном мире существует тренд на движение к так называемой «углеродной нейтральности» — для этого необходимо максимально сократить количество выбрасываемых парниковых газов и компенсировать то, что сократить невозможно. Наше государство обозначило стратегию низкоуглеродного развития экономики к 2050 году. Чтобы достигнуть этого, можно использовать различные инструменты: повышение энергоэффективности, использование «зелёной» энергии, цифровизацию, программы улавливания и захоронения углерода, а также — лесоклиматические проекты. Поэтому среди девяти направлений национального проекта России «Экология» важное место занимает проект «Сохранение лесов».

Экономические меры предусматривают применение налогов и других экономических стимулов для сокращения выбросов парниковых газов. Также выдачу государственными органами лицензий на производство энергии на конкурсной основе, исходя из экологичности предложенных проектов. Среди других экономических мероприятий — дополнительные льготы, низкопроцентные кредиты и прямые государственные субсидии, которые поощряют использование высокоэкологичных технологий.

Административные меры — установление предельно допустимых концентраций углекислого газа в выбросах. В 1992 году была подписана рамочная Конвенция ООН об изменении климата, которую поддержали 165 государств мира. Её цель в достижении стабилизации парниковых газов в атмосфере на уровне, не допускающего опасного антропогенного влияния на климатическую систему планеты Земля. В декабре 1997 года в Киото страны-участницы рамочной Конвенции договорились о сокращении объёма эмиссий парниковых газов путём мобилизации сил глобального рынка в интересах защиты окружающей среды. Эта договорённость оформлена в виде Киотского протокола, который является юридически обязательным инструментом Конвенции.

12 декабря 2015 года 21-й сессией Конференции Сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата было принято Парижское соглашение по климату. Стратегическая цель Парижского соглашения – удержание прироста глобальной средней температуры к концу XXI века в пределах «намного ниже» 2 ^оС сверх доиндустриальных показателей и «приложение усилий» в целях ограничения роста температуры на уровне 1,5 ^оС. Соглашение вступило в силу 4 ноября 2016 года после выполнения условия о его ратификации 55 Сторонами Рамочной конвенции Организации Объединённых Наций об изменении климата (РКИК ООН), на долю которых приходится более 55% объёма глобальной эмиссии парниковых газов. По состоянию на сентябрь 2019 года Парижское соглашение обязательно для 186 стран.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!