Парниковые газы

Советский климатолог и метеоролог Михаил Иванович Будыко еще в 1962 году первый опубликовал соображения о том, что сжигание человечеством огромного количества разнообразных топлив, особенно возросшее во второй половине XX века, неизбежно приведет к тому, что содержание углекислого газа в атмосфере будет увеличиваться. А он, как известно, задерживает отдачу с поверхности Земли в космос солнечного и глубинного тепла, что приводит к эффекту, который мы наблюдаем в застекленных парниках. Вследствие такого парникового эффекта средняя температура приземного слоя атмосферы должна постепенно повышаться. Выводы М. И. Будыко заинтересовали американских метеорологов. Они проверили его расчеты, сами провели многочисленные наблюдения и к концу шестидесятых годов пришли к твердому убеждению в том, что парниковый эффект в атмосфере Земли существует и нарастает.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон, оксид азота.

Структура выбросов странами парниковых газов

Рис. 3. Структура выбросов странами парниковых газов

Водяной пар - важнейший естественный парниковый газ, вносит значительный вклад в парниковый эффект с сильной положительной обратной связью. Увеличение температуры воздуха вызывает увеличение влагосодержания атмосферы при примерном сохранении относительной влажности, что вызывает усиление парникового эффекта и тем самым способствует дальнейшему повышению температуры воздуха. Влияние водяного пара также может проявляться через увеличение облачности и изменение количества осадков. Хозяйственная деятельность человека вносит вклад в эмиссию водяного пара, составляющий менее 1%.

Диоксид углерода (CO2).Важнейшую роль в созидании парникового эффекта играет, кроме водяного пара, углекислый газ. Планетарный углеродный цикл представляет собой сложную систему, его функционирование на различных характерных временах определяется различными процессами, которыми соответствуют различные скорости круговорота CO2. Углекислый газ, как и азот, и водяной пар, поступали и поступают в атмосферу из глубоких слоев планеты в ходе дегазации верхней мантии и земной коры. Эти составляющие атмосферного воздуха входят в число газов, выбрасываемых в атмосферу при извержении вулканов, выделяются из глубоких трещин в земной коре и из горячих источников.

Структура выбросов углекислого газа по регионам планеты в 1990-е

Рис. 4. Структура выбросов углекислого газа по регионам планеты в 1990-е

Метан (CH4). Метан является парниковым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана росло очень быстро на протяжении последних двух столетий. Сейчас среднее содержание метана CH4  в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million, частей на миллион). Его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей — существенно выше, чем от СО2. Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов — СO2, паров воды, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C, а сейчас она около +15°C. Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана — высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.

Оксид азота (N2O) - третий по значимости парниковый газ Киотского протокола. Выделяется при производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве и т.п. На него приходится около 6 % глобального потепления.

Тропосферный озон, являясь парниковым газом, тропосферный озон (троп. О3 ) оказывает как прямое влияние на климат через поглощение длинноволновой радиации Земли и коротковолновой радиации Солнца, так и через химические реакции, которые изменяют концентрации других парниковых газов, например, метана (троп. О3  необходим для образования важного окислителя парниковых газов - радикала - ОН). Увеличение концентрации троп. О3  с середины XVIII века является третьим по величине положительным радиационным воздействием на атмосферу Земли после СО2  и СН4. В целом содержание троп. О3  в тропосфере определяется процессами его образования и разрушения в ходе химических реакций с участием предшественников озона, имеющих как естественное, так и антропогенное происхождение, а также процессами переноса озона из стратосферы (где его содержание значительно больше) и поглощением озона поверхностью земли. Время жизни троп. О3  - до нескольких месяцев, что значительно меньше, чем у других парниковых газов (СО2, СН4, N2 O). Концентрация троп. О3  значительно изменяется во времени, по пространству и высоте, и её мониторинг является значительно более сложной задачей, чем мониторинг хорошо перемешанных в атмосфере парниковых газов.

Учеными был сделан однозначный вывод о том, что выбросы в атмосферу, вызванные человеческой деятельностью, приводят к существенному увеличению концентрации парниковых газов в атмосфере. На основе расчетов с использованием компьютерных моделей было показано, что если сохранится нынешняя скорость поступления парниковых газов в атмосферу, то всего за 30 лет температура в среднем по Земному шару повысится, примерно, на 1°. Это необычно большое повышение температуры, если судить по палеоклиматическим данным. Необходимо отметить, что оценки экспертов, по-видимому, несколько занижены. Потепление, скорее всего, будет усиливаться в результате ряда природных процессов. Причиной большего, чем прогнозируемое, потепления может быть неспособность нагревающегося океана поглощать из атмосферы расчетное количество диоксида углерода.

Из результатов численного моделирования также следует, что средняя глобальная температура в следующем столетии будет повышаться со скоростью 0,3°С за 10 лет. В результате к 2050 г. она может возрасти (по сравнению с доиндустриальным временем) на 2°С, а к 2100 году - на 4°С. Глобальное потепление должно сопровождаться усилением осадков (к 2030 г. на несколько процентов), а также повышением уровня Мирового океана (к 2030 г. - на 20 см, а к концу столетия - на 65 см).