Парниковий ефект

Вже досить тривалий час людство переймається проблемою зміни клімату на Землі. Те, що ці зміни відбуваються - не викликає сумніву навіть у школярів.

Але факт антропогенного впливу, тобто впливу людської діяльності на зміни клімату ставляться під сумнів багатьма

науковими школами, особливо розвинутих країн, в галузі фізики атмосфери, кліматології, геофізики, гідрології, фізики океану тощо. Найбільші прибічники звинувачення людської діяльності у кліматичних аномаліях - це екологи. Серед відомих визнаних світовою наукою факторів впливу на клімат, виді­ляють чотири: циклічні коливання інтенсивності випро­мінювання Сонця; зміна траєкторії руху Землі, концентрація парникових газів, концентрація аерозолей. Два останні, особливо третій фактор, на думку екологів, і є основною причиною зміни клімату на Землі, бо саме вони призводять до так званого парникового ефекту.

Вперше думку про вплив газів, що накопичуються у атмосфері завдяки людській діяльності, висловив наприкінці XIX століття Нобелівський лауреат С. Арреніус. Він вважав, що гази, які потрапляють в атмосферу, поглинають тепло і затримують теплове випромінювання з поверхні планети, тим самим підвищуючи середню температуру поверхні Землі і створюючи так званий парниковий ефект.

Найбільш відомі теорії циклічності зміни клімату на Землі: кожні 100 тисяч років середня температура змінюється з амплітудою 5 - 10°С під впливом космосу, зокрема сонячної активності. Новітні дослідження американських вчених начебто стверджувально відповідають на питання про першопричину зміни клімату - космічні чинники. Таке ствердження дало змогу науково обґрунтувати відмову США підписати Кіотські протоколи.

Офіційна, обґрунтована дослідниками точка зору США полягає в тому, що статистичне узагальнення даних майже трирічних спостережень клімату доводить те, що потепління відбувається природним шляхом і майже не пов'язане з антропогенною діяльністю.

Позиція США стане зрозумілою, якщо з'ясувати сутність Кіотського протоколу 1997 року до Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату. Рамкова Конвенція була покликана об'єднати зусилля із запобігання небезпечним змінам клімату і домогтися

Екологічний менеджмент

РОЗДІЛ 1

стабілізації концентрації парникових газів в атмосфері на відносно безпечному рівні. Кіотський протокол цієї Конвенції закріпив кількісні зобов'язання розвинених країн і країн з перехідною економікою з обмеження і зниження надходження парникових газів в атмосферу.

По-перше, розвинені країни та країни з перехідною економікою, в тому числі й Україна, повинні в цілому до 2008 -2012 років скоротити свої викиди парникових газів не менш ніж на 5% від рівня 1990 року. По-друге, враховуючи ту обставину, що до 98% всіх викидів С0₂ (або 80% всього ефекту) дає енергетична галузь, Кіотським протоколом встановлена квота обсягів викидів і квоти платежів за викиди С0₂ для найбільших забруднювачів. Система світового ринку торгівлі квотами за викиди парникових газів буде сприяти ефективності зниження обсягів викидів парникових газів. Найбільшими забруд­нювачами сьогодні є США, Росія, Японія, Німеччина, Франція, Італія, Велика Британія, Канада, Австралія, Україна. Жодна з цих країн не підписала Кіотський протокол. Вони не підписують його із зрозумілих фінансових міркувань. Таку відмову можна і треба обґрунтовувати. Отже й набувають все більшого поширення тези про необґрунтованість парникового ефекту та участь у ньому людської діяльності.

Енергія, яка необхідна для різноманітних біологічних, геофізичних і геохімічних процесів, досягає Землі у формі сонячного випромінювання. Основний механізм емісії й абсорбції електромагнітного випромінювання - переходи атома або молекули між більш високими і більш низькими рівнями енергії. Коли молекула одержує енергію, її електрони переходять на більш високий рівень енергії, у випадку втрати молекулою енергії, остання виділяється у вигляді випромінювання, довжина хвилі якого визначає температуру поверхні тіла, що випромінюється. Чим вища температура тіла, що випромінює, тим коротпіа довжина хвилі випромінювання, що виділяється.

Температура поверхні Сонця складає 5800 градусів К і воно випромінює в короткохвильовій області з максимумом випро-

мінювання у видимій області при 500 нм. Сонячне випро­мінювання відбивається атмосферою (хмари, частинки пилу), поверхнею Землі, проте здебільшого абсорбується поверхнею Землі, що у такий спосіб нагрівається, а частину отриманої енергії знову випромінює. Але тому, що Земля має значно меншу температуру, ніж Сонце, вона випромінює в довгохвильовій інфрачервоній області (14).

Деякі гази, у першу чергу водяні пари і діоксид вуглецю абсорбують це випромінювання і перетворюють його знову на тепло. Внаслідок цього атмосфера нагрівається і випромінює відповідно її температурі частину енергії знову на поверхню Землі. Таким чином, збільшується температура Землі і ближчих до її поверхні прошарків повітря. Цей ефект подібний до парника, скляна стріха якого утримує інфрачервоне випро­мінювання. Якби наша атмосфера не містила так званих парникових газів (Н₂0, С0₂, N,0, 0₃ тощо), температура поверхні Землі була б значно нижчою.

Для кращого розуміння парникового ефекту розглянемо баланс випромінювання Сонця і його взаємозв'язок із темпе­ратурою поверхні Землі.

Відповідно до закону Стефана і Больцмана, тіло з температурою Т на одиницю площі в одиницю часу випромінює енергію sT⁴ причому s - константа Стефана-Больцмана (а * 5,67 х 10-8 W м² К'⁴). Це співвідношення дійсне тільки для так знаного «чорного тіла», що у всій області довжини хвиль цілком ібсорбуе випромінювання і знову віддає. Сонце і поверхня Землі и першому наближенні можуть розглядатися як «чорні тіла».

Сонце випромінює з потужністю їх до 3,88x1026 W. Із закону Стефана-Больцмана випливає:

їх = оТ Цш.²

Де: Тс - температура поверхні Сонця (Тс - 5800 К); г_с -радіус Сонця (г_с = 7х10⁸м). Інтенсивність сонячного випро­мінювання на відстані а від Сонця складає Іх/4л:а². Якщо а -і ередня відстань між Сонцем і Землею (а = 1,5х10^им), тоді

і*

Екологічний менеджмент

РОЗДІЛ 1

інтенсивність енергії, що падає на поверхню Землі яг_з² (r._t -радіус Землі; г_з = 6,371x10^ем)

І = Lc/4г_з²(1-А)/4πа²

де: А - частина енергії, яка відбивається в космос, так звана «альбедо», її значення для Землі складає 0,3.

Якщо прийняти, що вся енергія, яка падає на Землю і абсорбується нею, перетворюється на тепло і потім знову виділяється в вигляді випромінювання поверхнею Землі, то в стані рівноваги повинна виконуватися рівність:

оТЧпт_з² = So7tr.₎²(l -A)

So= Ьс/4ла²; Тз - рівноважна температура випромінювання Землі; So - так звана солярна константа Землі, що складає 1372 W/м². Звідси:

Тз = (l-A)So/a4 = 255 К = -18°С

Таким чином, рівноважна температура випромінювання Землі відповідає -18°С. Але це значення температури значно нижче дійсної середньої температури То поверхні Землі, що складає +15°С. Різниця (Тз - То = 33 К) називається природним парниковим ефектом.

У середньому приблизно 30% сонячного випромінювання, яке падає на Землю, знову повертається в космос, приблизно 25% абсорбується атмосферою (в основному за рахунок озону стратосфери, а також хмар і водяних парів тропосфери), 45% випромінювання, що падає, абсорбується поверхнею Землі, із нього приблизно 60% (29/45) витрачається на випар води і на конвекцію тепла. Це означає, що нетто-інфрачервоне випро­мінювання складає приблизно 40% (18/45), в шість разів більш значне брутто-інфрачервоне випромінювання (104/45) поясню­ється парниковим ефектом.

Вода й озон абсорбують як у спектральній області випро­мінювання Сонця, так і в інфрачервоній області випро-

мінювання Землі. Озон стратосфери абсорбує в ультра­фіолетовій області випромінювань Сонця, а озон тропосфери абсорбує в ІЧ-області випромінювань Землі. Пари води поглинають переважно в ІЧ-області, а діоксид вуглецю практично тільки в ІЧ-області, що вказує на те, що С0₂ є типовим парниковим газом.

Найбільш значними природними парниковими газами атмосфери є водяні пари, діоксид вуглецю, метан, оксид азоту N,0, а також озон тропосфери 0₃. Відносний вміст газів у природному парниковому ефекті подано на діаграмі 1.6.1.

0Н2О, 63% ИС02, 22% ПОЗ, 7% □ N20, 4% ■ СН4, 2% ИДр., 2%

Діаграма 1.6.1. Відносний вміст газів у природному парниковому ефекті

Вміст парникових газів в атмосфері значно змінювався протягом історії Землі, але залишався практично постійним протягом останнього тисячоліття. Проте концентрація СО„ СН₄, N₂0, а також тропосферного озону в останньому сторіччі поступово збільшується завдяки діяльності людини (табл. 1.6.1).

Таблиця 1.6.1 Характеристика і вміст парникових газів

Екологічний менеджмент

РОЗДІЛ 1

Додатково до перерахованих газів людина викидає в атмосферу синтетичні речовини, як-от хлор- і фторовмісні вуглеводні (ХФСН), які є, завдяки своїм оптичним власти­востям, потенційними парниковими газами. Хоча емісії ХФСН через руйнуючу дію на стратосферний озоновий прошарок зусиллями світової громадськості значно зменшилися, їхній вміст в атмосфері ще приблизно сторіччя буде значним, що пояснюється їхньою значною стійкістю (термін життя). Озон є тепличним газом, тому такі речовини, як оксиди азоту (NOx) і леткі органічні речовини (ЛОВ), що сприяють синтезу озону в тропосфері, можна розглядати як такі, що побічно впливають на парниковий ефект.

Вміст парникових газів за останні 160 тисяч років визна­чають за повітряними бульбашками у «природних архівах» Гренландії і Антарктики. З цих даних випливає, що температура Землі і концентрація парникових газів тісно взаємозалежні: низькі концентрації характерні для льодовикових періодів, більш високі - для проміжних часів. Вміст С0₂ в атмосфері до 1850 року складав в середньому 280 ррт, із 1958 (315 ррт) по 1991 рік (354 ррт) він збільшився майже на 25% у порівнянні з доіндустріальним часом. В наш час концентрація С0₂ в атмосфері перевищила межі, які вона не переступала мінімум за останні 160 тисяч років.

Збільшення вмісту парникових газів, завдяки життє­діяльності людства, посилює природний парниковий ефект, збільшуючи кількість утримуваного на поверхні Землі тепла, що веде до нагрівання атмосфери. Аналізи показують, що глобальна середня температура за останнє сторіччя збільшилася від 0,3 до 0,6°С.

Антропогенними парниковими газами є діоксид вуглецю, метан, оксид азоту N₂0, ХФСН, а також озон тропосфери. Перераховані гази виникають, в основному, за рахунок горіння носіїв енергії (вугілля, нафта, газ); іншими джерелами їхньої емісії є виробництво і споживання ХФСН, а також сільське господарство (діаграми 1.6.2, 1.6.3, 1.6.4).

Q Горіння носіїв енергії (87%)

Q Використання землі (11%)

□ Цемент(2%)

_________

Діаграма 1.6.2. Походження С0₂-емісій.

0Рисовіполя(28%) В Худоба (29%) D Енергія (23%) □ Біомаса (10%)

■ Депоновані сховища (10%)

Діаграма 1.6.3. Походження СН₄-емісії.

□ Біомаса (43%) В Пасовища (2%) D Добрива (21%) D Енергія (34%)

Діаграма 1.6.4. Походження N₂0-eMicift.

Пари води характеризуються незначним терміном перебування в атмосфері (термін життя), тому антропогенні емісії не призводять до вираженої зміни концентрації парів, проте польоти літаків утворюють у нижніх прошарках стра­тосфери так звані «цирус»-хмари (кристали льоду), які практично не абсорбують сонячне випромінювання, але ефективно абсорбують теплове випромінювання Землі, посилюючи у такий спосіб парниковий ефект.

Екологічний менеджмент

РОЗДІЛ 1

Абсорбція інфрачервоного випромінювання Землі про­порційна концентрації тепличних газів в атмосфері. У зв'язку з інерцією системи клімату додаткова акумуляція тепла не призводить до негайного підвищення температури. Відповідне уповільнення називається «radiative forcing». «Radiative forcing» різноманітних газів залежить від їхніх оптичних властивостей і терміну перебування в атмосфері. Беручи до уваги ці два чинники, можна визначити, якою мірою даний газ впливає на клімат. Відповідний коефіцієнт називається глобальним тепловим потенціалом (ГТП). ГТП діоксида вуглецю дорівнює 1. Молекула метана в 25 разів, молекула N₂0 в 250, а молекула ХФСН у 1000 - 10000 разів більш значніше впливає на клімат, ніж молекула діоксида вуглецю.

Метан за допомогою ОН-радикалів, при утворенні озону або в реакції з озоном, перетворюється відповідно на CO або на С0₂. Хлор- і фторвмісні вуглеводні накопичуються в стратосфері, згодом руйнуються там під впливом фотолізу, що призводить до руйнації озонового прошарку. Озон утворюється за допо­могою таких речовин як NOx і ЛОС і насамперед із CO і СН₄.

Таблиця 1.6.2

Поиск по сайту: