Болятко Основы екологии и охраны окружаюсчей 2008

Значения плотности потоков энергии, ТВт

Солнечная радиация:	100 000
Поглощение атмосферой и земной поверхностью
Поглощение океаном	80 000
Расход на испарение в атмосферу	40 000
Турбулентные потоки тепла	10 000
Перенос теплоты с экватора к полюсам:	10 000
атмосферой
океаном	2000
Поглощение сушей	20 000
Испарение:	5000
сушей
растениями (транспирация)	3000
Энергия ветра	2000
Океанские волны	1000
Фотосинтез	100
Гравитационная энергия падения всех видов осадков	100
Энергия волн	3
Другие виды энергии:	30
Геотермальная
Вулканы и гейзеры	0,3
Приливы океанов	1
Лунный свет, падающий на поверхность Земли	0,5
Свет, падающий на Землю от всех звезд	0,001
Современное мировое энергопотребление	10

Тепловой баланс, как частный случай проявления закона сохранения энергии, обязан выполняться для любой компоненты рассматриваемой системы «космическое пространство – поверхность планеты – атмосфера», а также для потоков различного спектрального состава: солнечного коротковолнового излучения или теплового излучения Земли.

При переносе теплоты излучением испускаемую энергию несут электромагнитные волны. Каждый объект излучает тепло. Мощность испускаемого излучения абсолютно «черного» тела

описывается законом Стефана – Больцмана:
I σ S T 4 ,	(3.1)

81

где I – мощность излучения, Вт/м2; постоянная Стефана – Больцмана, σ = 5,67 10-8, Вт/(м2 К4); S – площадь излучающей поверхности, м2; T – температура поверхности, K .

Длина волны, на которой спектр излучения достигает своего максимума, определяется законом смещения Вина:

λmax T =b ,	(3.2)
где λ – длина волны, м; T – температура,	K ; постоянная Вина, b =
= 2,90·10-3, м· K .

Составление баланса между поглощаемой планетой за вычетом альбедо солнечной радиацией и энергией, излучаемой планетой по закону Стефана − Больцмана, позволяет получить соотношение для определения так называемой эквивалентной температуры:

T = 4	(1−α) CS		.	(3.3)
экв	4	σ

Здесь α − альбедо планеты; Сs – плотность потока солнечной энергии на орбите планеты.

Сравнение эквивалентных температур, полученных по соотношению (3.3), с реальными температурами различных планет показывает резко отличающиеся результаты. Для одних планет (Марс) эквивалентная температура является адекватной оценкой реального теплового уровня, для других говорить даже об относительной корреляции результатов не представляется возможным. Реальная температура Венеры более чем в три раза превышает значение эквивалентной. Для Земли разница между реальной и эквивалентной температурами составляет в наши дни 33 º. Очевидно, что анализ только интегральных потоков поглощаемой и излучаемой энергии не позволяет составить корректный тепловой баланс планеты.

Об этом свидетельствует и оценка по закону Стефана − Больцмана для реальной температуры суммарной излучаемой Землей энергии. Оказывается, что с единицы площади земной поверхности излучается большая энергия, чем поглощаемая из

82

космического пространства. Указанные противоречия теплового баланса разрешаются наличием и составом атмосферы данной планеты и ее способностью в разной степени пропускать различные участки спектрального состава излучения. Относительно плотная атмосфера в той или иной степени свободно пропускает жесткое коротковолновое излучение, составляющее значительную долю в спектре солнечной радиации, и практически полностью задерживает тепловое излучение планеты.

Подобное явление получило название парникового эффекта, а газовые компоненты атмосферы, способные оказывать существенное влияние на данный процесс, - парниковыми газами. Фактически разница между реальной и эквивалентной температурами служит количественной оценкой парникового эффекта.

3.2. Влияние атмосферы на формирование климата и условий жизни на Земле. Изменение состава атмосферы под влиянием человеческой деятельности

Таким образом, тепловой баланс планеты складывается и регулируется под значительным влиянием атмосферы. Спектр солнечного излучения близок к спектру абсолютно «черного» тела с температурой 6000 К. Видимое излучение (с длинами волн от 400 до 770 нм) может достигать поверхности Земли в безоблачный день почти без потерь. Однако жесткая часть ультрафиолетового излучения (с длинами волн короче 300 нм) отфильтровывается в верхних слоях атмосферы в первую очередь молекулами озона – О3, образующими защитный озоновый экран. В другой, длинноволновой части спектра с длиной волны более 1 мкм излучение поглощается в основном водяными парами, капельками воды в облаках и частицами пыли.

Свой вклад в поглощение инфракрасного излучения как идущего от Солнца, так и испускаемого Землей, вносят и газовые компоненты атмосферы – парниковые газы. К основным антропогенным парниковым газам в нашей атмосфере относятся углекислый газ (СО2), метан (СН4), закись азота (N2О) и хлорфторуглеродные соединения (ХФУ).

83

Достаточно длительное время концентрации основных

парниковых газов в атмосфере колебались в относительно узком диапазоне (рис. 3.2).

Начиная с индустриального периода концентрации всех парниковых газов начинают неуклонно возрастать. Этот процесс с нарастающей скоростью продолжается и в наши дни.

Рис. 3.2. Отклонения среднегодовой температуры Северного полушария

от климатической нормы 1951 1980 гг. и концентрация СО2 в атмосфере за последние 11000 лет

Основным парниковым газом в атмосфере Земли является углекислый газ СО2. В природную компоненту парникового эффекта в целом вклад еще больший чем СО2 вносит водяной пар. Однако изменений его концентрации в атмосфере пока не зарегистрировано.

Считается, что вклад СО2 в антропогенный парниковый эффект составляет более 60%. Его концентрация к 2005 г. увеличилась по сравнению с доиндустриальным периодом с 280 до

380 ед./млн.

Напомним, что концентрация парникового газа измеряется в объемных или массовых долях данного газа, содержащегося в миллионе или миллиарде долей атмосферного воздуха (ед./млн или

84

ед./млрд). Концентрацию в 280 ед./млн принято называть

равновесной концентрацией СО2 до промышленной революции.

Парниковые газы характеризуются большим сроком нахождения в атмосфере и хорошо там перемешиваются. В результате парниковый эффект не зависит от конкретного места выброса этого газа. Время жизни углекислого газа в атмосфере, определяемое скоростью обмена с поверхностью океана, оценивается в 10 лет, но при учете перемешивания океанских вод и поглощения углерода осадочными породами реальное время релаксации его концентрационных изменений может достигать многих десятков и даже сотен лет. Половина всех выбросов СО2 остается в атмосфере от 50 до 200 лет, тогда как вторая половина поглощается океаном, сушей и растительностью, при преобладающем значении океана. Потребуется примерно 30 лет, чтобы только 30% СО2 было выведено из атмосферы в результате естественных процессов; еще 30% может быть удалено за несколько столетий, и, наконец, 20% останутся в ней на многие тысячи лет.

Метан СН4 – второй по значимости парниковый газ. Его вклад в антропогенное изменение климата оценивается величиной 20%, а время жизни в атмосфере составляет примерно 10 лет. Концентрация метана по сравнению с доиндустриальным периодом увеличилась в 2,5 раза с 700 до 1800 ед./млрд.

Установлено, что в результате таяния вечной мерзлоты на севере Сибири в атмосферу ежегодно поступает около 4 млн т метана. Этот парниковый газ образуется в результате разложения органики, которая находилась в вечной мерзлоте свыше 30 тыс. лет. Выбросы метана в свою очередь способствуют дальнейшему потеплению климата. Выделение метана происходит из талых озер на севере Сибири, число и площадь которых быстро растут в результате таяния вечной мерзлоты. Так, с 1974 по 2000 г. площадь талых озер увеличилась на 15%, а эмиссия метана из них на 60%. Изотопный анализ показал, что весь выделяющийся метан имеет биогенное происхождение. Следовательно, в атмосферу поступают газообразные продукты разложения органики, законсервированной в грунте в эпоху, когда на месте нынешней бесплодной тундры паслись гигантские стада крупных травоядных животных.

Концентрация закиси азота N2O за тоже время возросла с 270 до 320 ед./млрд. Фреоны являются практически полностью

85

антропогенными соединениями, не наблюдавшимися в атмосфере до 50-х годов. В связи с их ролью в разрушении стратосферного озона, в соответствии с Монреальским протоколом (1987 г.), их производство резко сокращено, но из-за очень большого времени нахождения в атмосфере (50 100 лет) их концентрация будет медленно сокращаться в течение всего XXI столетия.

На рис. 3.3 представлено поведение концентрации углекислого газа за последние 10000 лет в атмосфере Земли. Отмечено резкое увеличение скорости роста его концентрации уже с

1750 г.

Рис. 3.3. Поведение атмосферной концентрации диоксида углерода (ед./млн) за последние 10000 лет, восстановленной по измерениям содержания СО2 в ледовых колонках Гренландии и Антарктики и полученной по наблюдениям за последние 100 лет

Увеличение концентрации СО2 на 2 ед./млн в год и более, наблюдаемое в последние несколько лет, беспрецедентно по своим темпам прироста. Скорость увеличения концентраций углекислого газа и метана достигла исключительных величин: для углекислого газа она в 200 раз выше, чем когда бы то ни было.

Примерно 65% антропогенного влияния на изменение концентрации углекислого газа в атмосфере связано с дополнительной эмиссией СО2 от сжигания ископаемого топлива – нефти, газа, угля и др., и 35% с уменьшением его поглощения, вызванного массовой вырубкой лесов и освоением новых земель.

86

На рис. 3.4 показано сравнение реальных климатических данных с прогнозом по различным моделям за последние 15 лет.

Рис. 3.4. Изменения содержания в атмосфере СО2, средней температуры на поверхности Земли и среднего уровня Мирового океана. Тонкие сплошные

линии реальные данные, толстые сплошные усредненные реальные данные. Пунктирными линиями обозначены данные прогнозов и доверительные интервалы (области, закрашенные серым цветом). За начало отчета приняты соответствующие данные 1990 г.

87

Газовый состав атмосферы будет меняться и далее за счет роста концентрации парниковых газов, по крайней мере, в течение первой половины XXI в.

Как видно из рисунка были удовлетворительно предсказаны на 15-летний период времени тенденции изменения содержания в атмосфере СО2 и средней температуры на поверхности Земли. Наименее удовлетворительным оказался прогноз уровня Мирового океана (нижняя часть графика). За последнее время этот уровень возрастал заметно быстрее, чем предполагалось разработанными моделями. С 1990 по 2005 г. уровень Мирового океана увеличился примерно на 4 см вместо предсказанных 2 см. Динамика содержания углекислого газа с 1990 г. хорошо соответствовала предсказанной тенденции.

На графике хорошо видны также ежегодные небольшие, но регулярные колебания содержания СО2, возникающие как результат сезонных изменений в активности наземной растительности. Интенсивный фотосинтез растений в конце весны и летом приводит к тому, что концентрация СО2 в воздухе достигает минимума в начале осени. Сезонный максимум содержания СО2 в атмосфере приходится на начало весны.

Необходимо остановиться еще на одной тенденции, характеризующей дальнейшее увеличение выбросов парниковых газов и продемонстрированной на рис. 3.5. И хотя, начиная с 1950 г., промышленно развитые страны несут ответственность за 75% мировых выбросов основного парникового газа, самый большой рост выбросов в последние годы происходит в развивающемся мире, где индустриализация только набирает обороты. И эта тенденция в будущем будет только усиливаться, существенно затрудняя попытки мировой общественности согласовать решения о сокращении выбросов парниковых газов.

В абсолютных цифрах эмиссия углерода в результате человеческой деятельности только от сжигания ископаемых видов топлива достигла уже к 2000 г. значения примерно в 7 млрд т, что в 4 раза превысило уровень 1950 г.

88

Рис. 3.5. Мировые выбросы углерода от сжигания ископаемых видов топлива

3.3. Парниковый эффект. Естественная цикличность изменения климата и влияние деятельности человека

Изменения концентрации парниковых газов воздействуют на поглощение, рассеяние и излучение тепловой радиации в климатической системе. Это, в свою очередь, вызывает изменения глобального радиационного баланса. Глобальное потепление климата стало очевидным фактом и тревожит не только ученых, но также общественные и правительственные организации во всем мире. Тем не менее к настоящему времени нет единого мнения о причинах, обусловливающих и доминирующих в этих процессах. Специалисты разделились на два лагеря, пытающихся убедить друг друга и широкую общественность в том, что потепление климата обусловлено либо только естественными причинами, либо только антропогенными нагрузками.

Уже на рис. 3.2 было продемонстрировано, что климатическое равновесие в биосфере не является статическим и без

89

влияния человека. Средняя температура поверхности нашей планеты испытывает сложные колебания под воздействием естественных причин космического и планетарного масштаба. При этом исторические данные по глобальной температуре показывают, что периоды первичных циклов ее колебания достигают величин около 100 000 лет. За 650 тыс. лет Земля прошла восемь ледниковых периодов, перемежавшихся короткими межледниковыми периодами потепления порядка 10 000 лет. В одном из них и оказалась вложенной вся современная цивилизация человеческого общества

(см. рис. 3.2).

К важным естественным причинам, влияющим на глобальную климатическую систему, относятся периоды колебаний отдельных параметров орбиты Земли и солнечной активности, вулканическая активность планеты, автоколебания в системе «атмосфера – океан». Например, на рис. 3.6 показаны данные экспериментальных исследований антарктических кернов по реставрации климата Земли, которые свидетельствуют, что потепление, вызванное другими причинами, в минувшие эпохи приводило к повышению концентрации углекислого газа. Наблюдается корреляция между подъемами и спадами глобальных температур и концентрацией углекислого газа в атмосфере.

Оценки показывают, современное содержание углерода в атмосфере приближается к величине 800 млрд т, а ежегодные антропогенные выбросы углерода только от сжигания ископаемых источников энергии превышают 7 млрд т в год. Даже с учетом воздушной фракции очевидно, что за промежутки времени в 100 лет человек способен внести изменения, сопоставимые с реально произошедшим увеличением концентрации СО2 в атмосфере.

С другой стороны, как показывают исследования, подъем Аппалачского горного массива около 450 млн лет назад вызвал похолодание климата. Выветривание горных пород этого массива привело к резкому снижению уровня углекислого газа в атмосфере и вместо парникового наблюдался «ледниковый» эффект. Ученые предполают, что последнее оледенение, начавшееся 40 млн лет назад, было вызвано аналогичной причиной, связанной с подъемом Гималаев. Выветривающиеся силикатные горные породы реагируют с водой и углекислым газом, переходя в карбонатные породы. При

90