- •Введение
- •Рекомендации к тестовым заданиям
- •Три агрегатных состояния планеты
- •Глава 1. Атмосфера – скафандр земли
- •Структура атмосферы
- •Состав атмосферы
- •Первичные атмосферы Земли
- •О динамике накопления кислорода в земной атмосфере
- •Азот – основной компонент воздуха
- •Углекислый газ – третий важнейший для живых организмов компонент воздуха
- •Циркуляция атмосферы
- •1.8. Аэрозоли атмосферы
- •1.9. Рассеянные металлы в тропосфере – природное явление
- •1.10. Источники поступления тяжелых металлов в атмосферу
- •Глава 2. Гидросфера – вместилище основного элемента аристотеля
- •2.1. Гидросфера как природная система
- •2.2. Физические свойства воды. Уникальные свойства
- •2.3. Характеристика состава природных вод. Растворенные газы
- •2.4. Главные компоненты в природных водах
- •2.5. Микроэлементы в составе природных вод
- •2.6. Естественные источники загрязнения воды
- •2.7. Океан. Состав океанской воды
- •2.8. Соленость океанской воды
- •2.9. Океан – индивидуальная форма структуры для нашей планеты
- •2.10. Озера. Химия озер
- •Глава 3. Литосфера – твердая оболочка земли
- •3.1. Строение Земли
- •Ядро и мантия
- •Литосфера – особая область планеты
- •Химический состав земной коры как фактор биосферы
- •Минерально-сырьевой потенциал России
- •Почва – ценный ресурс литосферы
- •Почва, ее состав и строение
- •3.9. Органические вещества почвы
- •Почвенная биота
- •Биосфера – самая молодая и самая динамичная часть Земли2
- •Антропогенные воздействия на биосферу
- •Глава 4. Проблемы атмосферы
- •4.1. Различные типы загрязнения воздуха
- •4.2. Естественные загрязнения атмосферного воздуха
- •4.3. Антропогенное загрязнение атмосферного воздуха
- •4.4. Парниковый эффект
- •4.5. Парниковые газы
- •4.6. Большой климатический спор о влиянии парниковых газов на климат
- •4.7. Озон в верхних слоях атмосферы. («Озоновый экран»)
- •4.8. Истощение озонового слоя в стратосфере
- •4.9. Влияние различных загрязнителей атмосферы на озон
- •4.10. Размышления об озоне и не только
- •Содержание
- •Глава 1. Атмосфера – скафандр для Земли
- •Глава 2. Гидросфера – вместилище основного элемента Аристотеля
- •Глава 3. Литосфера – твердая оболочка Земли 47
- •Глава 4. Проблемы атмосферы 67
4.5. Парниковые газы
В первой половине ХХ в. содержание СО2 в атмосфере оценивалось в 0,03 %. В 1956 г. ученые провели специальные исследования в рамках Первого международного геофизического года. Приведенная величина была уточнена и составила 0,028 %. В 1985 г. измерения были проведены снова, и оказалось, что количество углекислого газа в атмосфере возросло до 0,034 %. Таким образом, увеличение содержания СО2 в атмосфере – факт доказанный [8, с.25].
В настоящее время во всем мире действует сеть из 12 фоновых станций, созданных по решению Всемирной Метеорологической Организации. Расположенные в отдаленных районах эти станции призваны выявить изменения (тренды), происходящие в окружающей среде, в том числе тренд содержания СО2. Наиболее полные данные получены на станции Мауна-Лоа на Гавайских островах. В результате измерений установлено, что средняя концентрация СО2 увеличилась с 315 млн-1. (частей на миллион по объему) в 1958 г. до 354 млн-1. в начале 1990-х г. При этом были выявлены регулярные сезонные флуктуации, амплитуда которых постепенно возрастает и составляет в настоящее время около 4 % от среднего содержания.
Наблюдаемое сейчас увеличение содержания СО2 со скоростью около 0,5 % в год объясняется различными причинами. Во-первых, это связано со все большим использованием ископаемого топлива – угля, нефти и природного газа. Во-вторых, из-за ускоренного разрушения гумуса почв при их сельскохозяйственном использовании и уменьшения массы естественной наземной растительности. В третьих, за счет сжигания ископаемого топлива. В одной только Бразилии в 1990 г. леса были сведены на территории 18 800 км2, и это привело к выбросу в атмосферу примерно 261 Тг (1 тераграмм: 1 Тг=1012 г =1млн. т) углерода в форме СО2. Сведение лесов и распашка земель приводят дополнительно к выделению еще примерно 103 Тг СО2. За счет сжигания ископаемого топлива в настоящее время в атмосферу поступает около 6103 Тг СО2 в год.
Вторым по значению парниковым газом является метан. До последнего времени явно недооценивалась роль СН4 в парниковом эффекте. Его содержание в атмосфере ежегодно увеличивается на 1 %. Наиболее значимые его «поставщики» – свалки, крупный рогатый скот, рисовники. Запасы газа на свалках крупных городов можно рассматривать как небольшие газовые месторождения. Максимумы метана концентрируются в высоких широтах Северного полушария. Один из центров расположен в Западной Сибири, а область повышенного образования газа простирается через Северную Европу. Были найдены бактерии, в частности метаносарцина, образующие метан при низких положительных температурах (+ 5 оС).
Довольно много метана заложено в осадках на континентальном шельфе и ниже слоя вечной мерзлоты в Арктике в виде клатратов – молекулярных решеток, состоящих из молекул СН4 и Н2О. Основной структурный элемент этих соединений, имеющих формулу 8 СН446Н2О, додекар, образованный 20 молекулами воды. Молекулы СН4 занимают полости образованной структуры, причем они не связаны химически с молекулами воды. Потепление шельфовых вод и таяние вечной мерзлоты могут привести к высвобождению метана.
Кроме того, метан попадает в атмосферу из зон тектонических разломов как на суше, так и на дне океана. Особенно много его выделяется вдоль рифтовых впадин срединно-океанических хребтов, в областях столкновения литосферных плит, где происходят активные вулканические подводные извержения, и на шельфе, где накапливается и преобразуется органическое вещество. Выделяется метан и из возникающих при землетрясениях трещин и разломов в районах скопления нефти и газоконденсатов, месторождений бурого и каменного угля, горючих сланцев и вообще толщ осадочных пород, богатых органикой.
Метан выделяется при разведке и добыче полезных ископаемых, их транспортировке и переработке, при неполном сгорании минерального топлива в двигателях внутреннего сгорания и тепловых электростанциях. По оценкам [19], естественные и антропогенные выбросы составляют примерно 70 % и 30 %, но последние стремительно растут.
Парниковый эффект вызывают и пары воды. Чем больше их в тропосфере, тем сильнее парниковый эффект, а их концентрация, в свою очередь, зависит от приземных температур и площади водной поверхности.
К другим парниковым газам относятся оксиды азота (содержание в атмосфере растет ежегодно на 0,3 %), озон, фреоны. Вклад в парниковый эффект составляет у СО2 от 50 %; СН4 – 18 %; фреонов – 8 %; оксидов азота – 3 %. Всего известно 30 парниковых газов.
Таким образом, парниковый эффект имеет многокомпонентную природу. Особенно велика роль в парниковом эффекте органических соединений, так как для них характерна удельная абсорбция ИК-радиации, намного превосходящей эту величину для СО2. Так, одной молекулой метана поглощается в 25 раз больше ИК-радиации в спектральном диапазоне окна прозрачности, чем молекулой СО2. Еще более интенсивное поглощение типично для галогенопроизводных – фторхлоруглеродов (фреонов) и фторбромуглеродов (галонов). Ниже приведены оценки так называемых «потенциалов глобального потепления» (Global-Warming-Potentials, GWP) для некоторых из этих примесей [8]:
CHCl3 15 ; CHClF2 (F-22) 4300
CH3Cl 27 ; CFCl3 (F-11) 5000
CH2Cl2 28 ; C2Cl3F3 (F-113) 5000
CH3CCl3 360 ; C2ClF5(F-115) 6200
C2H3F2Cl (HCFC-142в ) 1200 ; C2Cl2F4 (F-114) 6900
C2H3FCl2 (HCFC-141в) 1800 ; CF2Cl2 (F-12) 7900
CCl4 2000 ; CCl3F (F-13) 8100
Значения GWP показывают вклад одного моля данного газа в усиление парникового эффекта относительно «стандарта», которым служит диоксид углерода.
Проанализировав динамику накопления СО2, метана, CFCl3 (фреон 11) и CF2Cl2 (фреон 12), Дикинсон и Сисрон (1985 г.) пришли к выводу, что вероятное увеличение температуры земной поверхности к 2050 г. может составить 1–5 К. Проведенные расчеты показали, что увеличение концентраций парниковых газов может оказать существенное влияние и на термический режим верхних слоев атмосферы: удвоение концентрации СН4 и СО2 должно привести к уменьшению средней температуры мезосферы и нижней термосферы примерно на 10 и 50 К соответственно.
Последствия увеличения содержания в атмосфере парниковых компонентов ощущаются уже сейчас: за последние 140 лет наблюдается хотя и неравномерный, но в целом положительный тренд среднеглобальной среднегодовой температуры приземного воздуха, составивший к 1990 г. 0,6 К. Результаты численного моделирования показали, что происшедшие за последние 20 лет увеличения температуры выходят за пределы естественных климатических флуктуаций. Прямым следствием потепления стало уменьшение площади льдов в высоких широтах (площадь льдов в Гренладском море с 700 тыс. км2 в конце XIX в. уменьшилась до 400 тыс. км2 в 1990 г). Поэтому некоторыми исследователями прогнозируется повышение к концу XXI в. (на 2080-е г.) уровня Мирового океана на 44 см.
Утепляющий эффект парниковых газов зависит не только от их количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу.
Если по данному показателю СО2 принять за единицу, то как будет распределена активность действия по метану, фреонам и оксидам азота…
[1] СО2 – 1; СН4 – 25; фреоны – 11000; NOx – 165;
[2] СО2 – 1; СН4 – 15; фреоны – 800; NOx – 100;
[3] СО2 – 1; СН4 – 5; фреоны – 400; NOx – 20;
[4] СО2 – 1; СН4 – 20; фреоны – 1000; NOx – 3000.