Лекция 6. Влияние состава атмосферы на климат

Состав формируют:

-естественные и антропогенные факторы,

-внутренние и загрязнители.

К природным источникам загрязнения относятся:

извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения.

Уровень загрязнения является фоновым, т.к. мало изменяется.

Антропогенные источники загрязнения (эмиссия):

1.Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом углекислого газа.

2.Сжигании высокосернистых углей при работе тепловых электростанций с выделением сернистого газа и мазута образующих кислотные дожди.

3.Выхлопы турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя.

4.Производственная деятельность.

5.Загрязнение взвешенными частицами при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора.

6.Выбросы предприятиями различных газов.

7.Сжигание топлива в факельных печах с образованием монооксида углерода.

8.Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств с образованием оксидов азота, которые вызывают смог.

9.Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).

10. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы).

Химический состав атмосферного воздуха	Динамика глобальной концентрации парниковых газов
99.96% объема

0.04% объема

	0.1% парниковые газы (ПГ)	Концентрация
	(малые газовые компоненты):	сульфатов,
	СО2 – углекислый газ,	SO4 мг на
	CH4 – метан,	тонну льда.
	N2O – закись азота,
	О3 - озон
	Н2O – водяной пар,
	фреоны
	(хлорфторуглероды).		Эмиссия S02,
	Вклад газов в парниковый эффект при ΔТ=33.20К (по расчетам К.Я.Кондратьева, 1992):
			млн.тонн
	20.60 К - H2O, 7.20К – CO2, 1.40К – N2O, 0.80К – CH4, 2.40К – О3, 0.30К – NH4 + фреоны.
			серы в год.

Основные сведения о парниковых газах в атмосфере (Г.С.Голицын, 1998).

Водяной пар (Н2О)

Основной источник – испарение с океана, затем с почв (эватранспирация). Среднегодовое содержание 2г/см3 или 3200 млн-1 (частей на млн. молекул воздуха по объему, англ. ppm - Parts per million)

или слой 2 см охлажденной воды.

Среднее время жизни в атмосфере – 10 дней. Чем теплее атмосфера, тем больше водяного пара она может содержать (з-н Клапейрона-Клаузиуса)

При повышении температуры должно увеличиваться кол-во водяного пара. Подтверждение данными по ст.Иссык-Куль (тренд вод.пара 1% в год).

Углекислый газ (СО2)

1)Двуокись углерода (диоксид углерода) – основа фотосинтеза и жизни на Земле.

2)Современная концентрация 360-370 ppm.

3)СО2 – мало поглощает солнечную радиацию и сильно тепловую 13-17мкм,

4)55% суммарного эффекта всех парниковых газов (без Н2О),

5)время жизни молекулы около 5 лет,

6)Увеличивается на 0.5% в год, амплитуда годового хода - на 20%-40%.

7)Максимум концентрации – в конце зимы, минимум – в конце лета.

8). Антропогенные источники: сжигание ископаемого топлива, газа в факелах, производство цемента, лесные пожары, землепользование.

Тропосферный озон (О3)

1). Полоса поглощения 9.6 мкм.

2)Время жизни молекулы около 1 месяца.

3)Среднегодовые значения 25-35 млрд-1, (ppb) при >60 млрд-1 опасен для

	растений и человека.	1 мкг/м3	озона=
	4). Вклад в парниковый эффект несколько %.
		4.6*10-4	ppm
	5) Переносится из стратосферы в тропосферу.
		1 ppm = 2.15 мг/м3

	6). Летний максимум и зимний минимум.	1 ppb = 2.15 мкг/м3
	7). Увеличивается на 1% в год.
		1 мг/л = 106 мкг/м3
	8). Озоновые «дыры» в озоносфере Антарктики.
	9) Образуется в тропосфере в результате фотодиссоциации O2.

Метан (СН4) болотный или рудничный газ

1)Полоса поглощения 7.7 мкм.

2)Участвует в реакциях, ведущих к образованию СО (окись углерода, угарный газ), озона, водяного пара.

3). Время жизни в атмосфере – 12 лет.

4). Концентрация сегодня 1.7ppm (ранее 0.7 ppm).

5). Вариация по земле от 1.6 ppm в высоких широтах южного до 1.7 ppm – высоких северного, по высоте уменьшается до 1.5 ppm в нижней стратосфере.

6). Источники метана – на суше, стоки – в океане и стратосфере. 7). Увеличивается на 1% в год, имеет сезонные вариации.

8). Источники: болота (115 Мт/год), термиты (20), океан (15), гидратированные формы (10), почвенные бактерии, таяние вечной мерзлоты, термиты, антропогенные: добыча нефти, угля (110), мусорные свалки (40), переработка мусора (25), рисоводство (100), скотоводство (115), сжигание биомассы (40).

Общая эмиссия 610 Мт/год, сток – 580, накопление атмосферой – 20 (7 ppb/год).

Закись азота (N2O), веселящий газ.

1). Современная концентрация 310 ppb (ранее 285 ppb) при тренде 0.3% (0.8 ppb) в год.

2). Время жизни молекулы в атмосфере 80-150 лет.

3). Естественные источники: микробиологические процессы в почве и океане, окисление аммиака (NH3);

антропогенные: разложение азотных удобрений, сжигание биомассы и ископаемого топлива.

4). В северном полушарии концентрация на 1 ppb больше, чем в южном, слабый сезонный ход с амплитудой 0.5-0.8 ppb.

5). Антропогенная эмиссия 8.1 Мт/год, естественная 9.6, общая – 17.7Мт/год.

Хлорфторуглероды (ХФУ, галогеноуглероды)

1). Имеют в основном антропогенное происхождение (фреон11, фреон12, тетрафторметан, гексафторэтан, гексафлорид серы и т.д.), применяются в холодильниках, кондиционерах воздуха, как аэрозоли, промышленная пена; 2). В 14-18 тыс. раз активнее СО2, вклад в парниковый эффект 24% при концентрации

всего 2 ppb.

3). Время жизни - сотни лет.

4). В стратосфере под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения разлагаются с образованием атомов хлора, которые уничтожают озоновый слой. 5). В 1990 г. заключено международное соглашение о сокращении и постепенном

выведении из употребления фреонов и других химических веществ, повреждающих озоновую оболочку.

Основные парниковые газы

Газ	Предпола-	Кон-	Прогнози-	Годовой	Антропо-	Доля	Вклад в	Основные источники (8)	Продолжи-
	гаемые	цен-	руемые	прирост	генные	США	потепле-		тельность жизни (8)
	концен-	трации	концен-	на	выбросы в	в	ние
	трации в	в 1990 г.	трации в	1990 г.	1985 г.	1985 г.	1880-
	1980 г. (1)	(2)	2030 г. (3)	( 2, 4)	(метрич.		1980 (1)
					тонн)
Угле-	260-290	353 ppm	440-450	0.5% в	6-9	20%	66%	Ископаемые топлива,	500 лет
кислый	ppm		ppm	год	млрд.тонн			горение, сведение лесов
газ СО2					углерода (2)
Метан	1.2 ppm	1.72	2.5-2.6	0.9% в	350	10%	15%	Рисовые поля, свалки,	7-10 лет
CH4		ppm	ppm	год	млн.тонн			ископаемые топлива, скот
					метана (5)
Закись	290 ppb	310 ppb	340 ppb	0.25% в	4-10	НО	3%	Азотные удобрения, сведение	140-190 лет
азота				год	млн.тонн			лесов, сжигание биомассы
N2O					азота (2)
ХФУ-11	0	0.28 ppb	0.5 ppb	4% в	3000 тонн (6)	22%	4%	Аэрозоли, хладоны,	65-110 лет
				год				пенопласты
ХФУ-12	0	0.48 ppb	1.0-1.1 ppb	4% в	4000 тонн (6)	30%	5%	Аэрозоли, хладоны,	65-110 лет
				год				пенопласты
Другие	0	НО					7%

1.V.Ramatan et al., “Trace Gas Effects on Climate,” in Atmospheric Ozone 1985, Global Ozone Research and Monitoring Project Report No. 16, World Meteorological Organization, National Aeronautics and Space Administration (Washington, D.C., 1985).

2.Intergovernmental Panel on Climate Change, Scientific Assessment of Climate Change, Summary and Report, World Meteorological Organization/U.N. Environmental Programme (Cambridge, MA, Cambridge University Press, 1990).

3.U.S. Environmental Protection Agency, Office of Policy, Planning and Evaluation, Policy Options for Stabilizing Global Climate, Draft Report to Congress (Washington, D.C., June 1990).

4.Вклад в глобальное потепление в случае постепенного сокращения каждого из тепличных газов в последующие три десятилетия на 20 процентов от уровня 1985 года (по данным Агентства по охране окружающей среды, 1990 г.)

5.R.J. Cicerone and R.S. Oremland, “Biogeochemical Aspects of Atmospheric Methane,” GlobalBiogeochemical Cycles 2:299-327, 1988

6.J.K. Hammit et al., Product Uses and Market Trends for Potential Ozone-depleting Substances, 1985-2000 (Santa Monica, CA: RAND Corp., May 1986)

8.Drawn from The Greenhouse Trap, by Francesca Lyman, et.al., World Resources Institute, 1990.

Аэрозоль

Кроме газов атмосфера содержит: частицы почвенной, вулканической и космической пыли, морской соли, дыма, микроорганизмы, споры растений и т.д.

Основные виды атмосферного и тропосферного аэрозоля.

1.Морской – соль после испарения брызг волн.

2.Сульфатный – содержит сульфат аммония, бисульфат и серную кислоту в водном растворе и

образуется в атмосфере реакциях окисления соединений серы, вносят большой вклад в анти- парниковый эффект.

3.Пустынный – минеральная пыль пустынных бурь.

4.Биогенный – из летучих органических веществ, выделяемых растениями, водорослями, бактериями, грибами и насекомыми.

5.Дымовой – дым, сажа и другие продукты при лесных и степных пожарах.

6.Вулканический – сульфатный и нитратный из вулканических газов и вулканический пепел (частицы пород).

7.Стратосферный - малые сульфатные частицы (<0.3 мкм), находящиеся на высотах 15-27 км, долгоживущий (от

полугода до нескольких лет.

8.Промышленный сульфатный – частицы из сернистого газа, приводит к кислотным осадкам

9.Промышленная пыль – предприятия горнодобывающей промышленности, цементные, металлургические заводы

	Оценки глобальных потоков веществ в атмосферу от различных источников
Источник	Морская соль	Пыль	Вулканическая пыль	Лесные	Метеоритная
				пожары	пыль
Гт/год	1500	750	50	35	1
%	64.2	32.1	2.1	1.5	<0.1

Оценка потоков частиц с радиусом <20 мкм, выброшенных в атмосферу или образовавшихся в ней (Батчер, Чарлсон)

Вид частицы

Частицы естественного происхождения (выветривание, эрозия и т.п.)

Частицы лесных пожаров и сжигания отходов лесного хозяйства

Морская соль

Вулканическая пыль

Частицы, образовавшиеся при выбросе газов (природные процессы) Сульфаты из H2S

Соли аммония Нитраты из NOx

Гидрокарбонаты из растительных соединений

Антропогенные процессы Сульфаты из H2S

Нитраты из NOx Гидрокарбонаты

Всего частиц, выбрасываемых в атмосферу

По естественным причинам По антропогенным причинам

Общий поток частиц в атмосферу

Количество

частиц

(Млн.тонн/год)

100-500

3-150

300 25-150

130-200

80-270

60-430

75-200

130-200

30-35

15-90

773-2200

185-415

958-2615

Источники поступления и размеры аэрозольных частиц

Воздействие на климат (локальное и глобальное):

-отражает часть солнечной радиации и приводит к выхолаживанию атмосферы (рассеивает до 3% прямой радиации) – антипарниковый эффект (1.0 Вт/м2 в северном полушарии и сравнимо с 1.5 Вт/м2 от влияния СО2),

-образование дополнительных ядер конденсации и увеличение осадков,

-хотя антропогенный аэрозоль и недолгоживущий, однако его концентрация постоянна и возрастает в связи с постоянными выбросами.

Природа парникового эффекта

Температура любой планеты определяется балансом между поглощенной частью излучения и уходящей радиацией:

S (1 - α)= E*, S’= S - αS = S (1 - α) – поглощенная земной поверхностью радиация,

α –альбедо (0.30 для Земли), S – приходящая на верхнюю границу радиация, Е* - эффективное излучение.

1)Площадь проекции Земли: πR2

2)Закон Стефана - Больцмана (закон излучения абсолютно чёрного тела): мощность излучения абсолютно чёрного тела прямопропорциональна площади поверхности и четвёртой степени

температуры тела:
	E*= ε σT4		I0
Т – температура земной поверхности в абс. шкале, σ=5.670*10-8 Вт/(м2К4)			космос
постоянная Стефана-Больцмана, ε - относительный коэффициент излучения = 0.95
3) Выражаем S через солнечную постоянную I0			атмосфера I∞
	πR2 I (1 - α)= 4πR2 ε σT4		земля		E		∞
	0

T=[ I0 (1 - α)/4εσ]1/4

При I0=1367 Вт/м2 и при условии лучистого баланса системы Земля - атмосфера:

T=2580К=-150С

Частный случай (оледенение α=0.80) : T=1860К=-870С

Фактически: T=150С

Причина ΔТ=+300: поглощение уходящего излучения водяным паром, СО2 и другими смесями.

При фактической Т поверхности 1900-3500К и по закону смещения длины волны В.Вина:

λмакс*Т = 2884 мкм·град

уходящая радиация имеет длины волн 4-120 мкм (максимум на 10-15 мкм) - инфракрасная.

Спектр совпадает с «окнами» в полосах поглощения H2O, CO2, O3, O2 и др.

47% приходящей радиации поглощается поверхностью Земли, уходящее частично поглощается атмосферой.

Увеличение температуры поверхности и чем больше концентрация парниковых газов, тем больше увеличе-

ние, особенно при положительной обратной связи с Н2О.

Для стратосферы рост CО2 приводит к понижению Т. Формула М.И.Будыко для оценки влияния парниковых

газов на Т:	Е*= a+bT

a, b – эмпирические коэффициенты, а=203Вт/м2, b=2.09Вт/(м2 0С)

1/4I0 (1 - α)= a+bT

T=16.60С