1 парниковый эффект. Причины, современное состояние и пути решения проблемы усиления парникового эффекта

26.09.2019

Парниковые газы, влияющие на климат планеты

Принципы парникового эффекта впервые осветил Жозеф Фурье , рассматривая разные типы механизмов в формировании климата Земли. При этом рассматривались и факторы, оказывающие влияние на температурные условия климатических поясов и качественный теплоперенос, и факторы, которые влияют на состояние общего теплового баланса нашей планеты. Парниковый эффект обеспечивается разницей в прозрачности атмосфер в дальнем и видимом инфракрасных диапазонах. Тепловой баланс земного шара определяет климат и среднегодовые приповерхностные температуры.

Активное участие в этом процессе принимают так называемые парниковые газы, которые задерживают инфракрасные лучи, занимающиеся нагревом атмосферы Земли и ее поверхности. По степени влияния и воздействия на тепловой баланс нашей планеты основными принято считать следующие виды парниковых газов:

Водяной пар
Метан

Главным в этом списке является водяной пар (влажность воздуха тропосферы), который вносит в парниковый эффект земной атмосферы основной вклад. Также участвуют в действии фреоны и окись азота, но малая концентрация других газов не оказывает такого существенного влияния.

Принцип действия и причины парникового эффекта

Тепличный эффект, как еще называют парниковый, заключается в проникновении коротковолновых излучений Солнца к поверхности Земли, чему способствует углекислый газ. При этом тепловое излучение Земли (длинноволновое) задерживается. Вследствие этих упорядоченных действий осуществляется длительный нагрев нашей атмосферы.

Также суть парникового эффекта можно рассматривать как возможность повышения глобальной температуры Земли, которое может произойти в результате значительных изменений теплового баланса. Подобный процесс может обусловить постепенное накопление в атмосфере нашей планеты парниковых газов.

Самой явной причиной возникновения парникового эффекта называют попадание промышленных газов в атмосферу. Получается, что негативные результаты деятельности человека (лесные пожары, автомобильные выбросы, работа разных промышленных предприятий и сжигание топливных остатков) становятся прямыми причинами потепления климата. Выведение лесов – тоже одна из таких причин, так как именно леса являются самыми активными поглощателями углекислого газа.

Если нормированным для живых организмов, то экосистемам Земли и людям нужно будет пытаться приспособиться к измененным климатическим режимам. Однако наиболее разумным решением все же будет сокращение и последующее регулирование выбросов.

Если не остановить его нарастание, равновесие на Земле может нарушиться. Изменится климат, придёт голод и болезни. Учёные разрабатывают разные меры борьбы с проблемой, которая должна стать глобальной.

Суть

Что такое парниковый эффект? Так называют повышение температуры поверхности планеты благодаря тому, что газы в атмосфере имеют свойство удерживать тепло. Земля нагревается излучением Солнца. Видимые короткие волны от источника света беспрепятственно проникают к поверхности нашей планеты. Нагреваясь, Земля начинает излучать длинные тепловые волны. Частично они проникают сквозь слои атмосферы и «уходят» в космос. снижают пропускную способность, отражают длинные волны. Тепло остаётся у поверхности Земли. Чем больше концентрация газов, тем выше парниковый эффект.

Впервые явление было описано Жозефом Фурье ещё в начале 19 века. Он предположил, что процессы, происходящие в земной атмосфере, аналогичны тому, что существует под стеклом.

Парниковые газы – это пар (от воды), диоксид углерода (углекислота), метан, озон. Основное участие в формировании парникового эффекта принимает первый (до 72%). Следующий по значимости – углекислый газ (9-26%), доля метана и озона 4-9 и 3-7% соответственно.

В последнее время часто можно услышать про парниковый эффект как серьёзную экологическую проблему . Но у этого явления есть и положительная сторона. Благодаря тому, что парниковый эффект существует, средняя температура нашей планеты примерно 15 градусов выше нуля. Без него жизнь на Земле была бы невозможна. Температура могла быть только «минус» 18.

Причина появления эффекта – активная деятельность множества вулканов на планете миллионы лет назад. При этом в атмосфере значительно повысилось содержание пара воды, углекислого газа. Концентрация последнего достигла такого значения, что возник сверхсильный парниковый эффект. Вследствие этого практически вскипела вода Мирового океана, настолько высока стала её температура.

Появление растительности повсеместно на поверхности Земли вызвало достаточно быстрое поглощение диоксида углерода. Накопление тепла снизилось. Установилось равновесие. Среднегодовая температура на поверхности планеты оказалась на уровне, близком к настоящему.

Причины

Усилению явления способствуют:

Развитие промышленности – главная причина того, что углекислота и другие газы, усиливающие парниковый эффект, активно выбрасываются и накапливаются в атмосфере. Результат деятельности человека на Земле – рост среднегодовой температуры. За столетие она поднялась на 0,74 градуса. Учёные прогнозируют, что в дальнейшем этот рост может составить 0,2 градуса за каждые 10 лет. То есть, интенсивность потепления увеличивается.
– причина роста концентрации СО2 в атмосфере. Этот газ поглощается растительностью. Массовое освоение новых земель, сопряжённое с вырубкой лесов, ускоряет темп накопления углекислоты, и одновременно изменяет условия обитания животных, растений, ведёт к вымиранию их видов.
Сжигание топлива (твёрдого и нефти), отходов ведёт к выбросу углекислоты. Отопление, производство электроэнергии, транспорт – основные источники этого газа.
Рост энергопотребления – признак и условие технического прогресса. Численность населения планеты увеличивается примерно на 2% в год. Рост энергопотребления – 5%. Интенсивность ежегодно увеличивается, человечеству нужно всё больше энергии.
Рост числа свалок ведёт к увеличению концентрации метана. Другой источник газа – деятельность животноводческих комплексов.

Угрозы

Последствия парникового эффекта могут быть губительны для человека:

Тают полярные льды, а это причина повышению уровня моря. В результате прибрежные плодородные земли оказываются под водой. Если затопление будет происходить высокими темпами, возникнет серьёзная угроза сельскому хозяйству. Гибнут посевы, сокращается площадь пастбищ, исчезают источники пресной воды. Прежде всего, пострадают малообеспеченные слои населения, жизнь которых зависит от урожая, роста домашних животных.
Многие прибрежные города, в том числе и высокоразвитые, в будущем могут оказаться под водой. Например, Нью-Йорк, Санкт-Петербург. Или целые страны. Например, Голландия. Такие явления вызовут необходимость массового перемещения поселений людей. Учёные предполагают, что через 15 лет уровень океана может подняться на 0,1-0,3 метра, а к концу 21 века – на 0,3-1 метр. Чтобы под водой оказались вышеназванные города, уровень должен подняться примерно на 5 метров.
Рост температуры воздуха ведёт к тому, что внутри континентов сокращается период лежания снега. Таять он начинает раньше, как и быстрее заканчивается сезон дождей. В результате почвы оказываются пересушенными, непригодными для выращивания сельскохозяйственных культур. Недостаток влаги – причина опустынивания земель. Специалисты утверждают, что рост средней температуры на 1 градус через 10 лет приведёт к сокращению лесных территорий на 100-200 миллионов гектаров. Эти земли станут степями.
Океан покрывает 71% площади поверхности нашей планеты. С ростом температуры воздуха нагревается и вода. Значительно увеличивается испарение. А это одна из основных причин усиления парникового эффекта.
При повышении уровня воды в мировом океане, температуры появляется угроза биоразнообразию, может исчезнуть множество видов живой природы. Причина – изменения в среде их обитания. Не каждый вид может успешно приспособиться новым условиям. Следствие исчезновения некоторых растений, животных, птиц, других живых существ – нарушение цепей питания, равновесия экосистем.
Рост уровня воды вызывает изменения климата. Сдвигаются границы сезонов, увеличивается количество и интенсивность штормов, ураганов, осадков. Стабильность климата – основное условие существования на Земле жизни. Остановить парниковый эффект – значит сохранить человеческую цивилизацию на планете.
Высокая температура воздуха может негативно сказаться на здоровье людей. При таких условиях обостряются сердечно-сосудистые заболевания, страдают органы дыхания. Тепловые аномалии приводят к увеличению числа травм, некоторых психологических расстройств. Рост температуры влечёт за собой более быстрое распространение многих опасных заболеваний, например, малярии, энцефалита.

Что делать?

Сегодня проблема парникового эффекта – глобальный вопрос экологии. Специалисты считают, что решить проблему поможет повсеместное принятие следующих мер:

Изменения в использовании источников энергии. Сокращение доли и количества ископаемых (содержащих углерод торфа, угля), нефти. Переход на природный газ значительно уменьшит выделение СО2.Увеличение доли альтернативных источников (солнца, ветра, воды) снизит выбросы, ведь эти способы позволяют получать энергию без вреда для экологии. При их использовании газы не выделяются.
Изменение политики в сфере энергетики. Увеличение коэффициента полезного действия на электростанциях. Снижение энергоёмкости выпускаемых продуктов на предприятиях.
Внедрение технологий энергосбережения. Даже обычное утепление фасадов домов, оконных проёмов, теплоцентралей даёт существенный результат – экономию топлива, а, значит, меньший объём выбросов. Решение вопроса на уровне предприятий, производств, государств влечёт за собой глобальное улучшение ситуации. Каждый человек может внести свой вклад в решение проблемы: экономия электроэнергии, правильная утилизация мусора, утепление собственного жилища.
Развитие технологий, направленных на получение продуктов новыми, экологически чистыми способами.
Использование вторичных ресурсов – одна из мер по сокращению отходов, числа и объёма свалок.
Восстановление лесов, борьба с пожарами в них, увеличение площади как способ уменьшения концентрации углекислоты в атмосфере.

Борьба с выбросом парниковых газов сегодня ведётся на международном уровне. Проводятся мировые саммиты, посвящённые этой проблеме, создаются документы, направленные на организацию глобального решения вопроса. Многие учёные мира занимаются поиском способов уменьшения парникового эффекта, сохранения баланса и жизни на Земле.

Главный вклад в «парниковый» эффект земной атмосферы вносит водяной пар или влажность воздуха тропосферы (Таблица 3).

Вместе с тем, концентрация водяного пара в тропосфере существенно зависит от приповерхностной температуры: увеличение суммарной концентрации «парниковых газов» в атмосфере должно привести к усилению влажности и «парникового» эффекта, который в свою очередь приведет к увеличению приповерхностной температуры.

При понижении приповерхностной температуры концентрация водяных паров падает, что ведет к уменьшению «парникового» эффекта, и, одновременно с этим при снижении температуры в приполярных районах формируется снежно-ледяной покров, ведущий к повышению альбедо и, совместно, с уменьшением «парникового» эффектом, вызывающим понижение средней приповерхностной температуры.

Таким образом, климат на Земле может переходить в стадии потепления и похолодания в зависимости от изменения альбедо системы Земля - атмосфера и «парникового» эффекта.

Антропогенное загрязнение атмосферы Земли является одной из причин «парникового» эффекта, под которым понимают возможное повышение глобальной температуры земного шара в результате изменения теплового баланса, обусловленного так называемыми «парниковыми газами».

На земную поверхность поступает в основном поток видимых лучей, которые проходят через «парниковые газы» не изменяясь. В околоземном пространстве при встрече с различными телами значительная часть этих лучей трансформируется в длинноволновые (инфракрасные) тепловые лучи. «Парниковые газы» препятствуют уходу тепловых лучей в космическое пространство и вызывают тем самым повышение температуры воздуха («парниковый» эффект).

Основным «парниковым газом» является диоксид углерода (СО 2). Его вклад в «парниковый» эффект, по разным данным, составляет от 50 до 65 %. К другим «парниковым газам» относятся метан (около 20 %), оксиды азота (примерно 5 %), озон, фреоны (хлорфторуглероды) и другие газы (около 10-25 % «парникового» эффекта). Всего известно около 30 «парниковых газов». Их утепляющий эффект зависит не только от количества в атмосфере, но и от относительной активности действия на одну молекулу. Если по данному показателю СО 2 принять за единицу, то для метана он будет равен 25, для оксидов азота - 165, а для фреона - 11000.

Основным антропогенным источником поступления СО 2 в атмосферу является сжигание углеродосодержащего топлива (уголь, нефть, мазут, метан и др.). Ныне только от теплоэнергетики в атмосферу поступает около 1 тонны углерода на человека в год; по прогнозам в первой половине ХХI столетия выброс достигнет более 10 млрд. тонн.

За последние 200 лет концентрация СО 2 в воздухе увеличилась с 275 до 350 частиц на 1 млн. частиц воздуха, то есть на 25%, а с 1958г. по 2001 г. концентрация СО 2 возросла с 350 до 368 частиц (Таблица 4). Если человечество не примет меры, чтобы сократить выброс газов, то к середине века средняя глобальная температура приземной атмосферы повысится на 1,5-4,5 0 С. Доли некоторых государств в выбросе диоксида углерода таковы: США - 22%, Россия и Китай - по 11%, Германия и Япония - по 5%.

В настоящее время опасность состоит в том, что концентрация «парниковых газов» в атмосфере, а именно углекислого газа, азота, водяного пара и многих других, значительно возросла и связывают это с индустриальным развитием человечества. За последние 150 лет содержание азота увеличилось на 18%, метана почти на 150%, а углекислого газа более чем на 30%. В результате произошла определенная стимуляция «парникового» эффекта с соответствующими последствиями.

По подсчетам ученых в круговороте углерода на планете ежегодно принимают участие 330 млрд. тонн этого вещества. Доля человека в этом объеме очень мала - 7,5 млрд. тонн, однако этого достаточно для нарушения равновесия системы.

Признавая проблему глобального потепления климата, Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) учредили еще в 1988 г. Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК). Это фактически постоянно действующий форум нескольких тысяч ученых разных стран, включая и десятки российских, практически всех, кто с разных сторон занимается данной проблемой: климатологов, экологов, экономистов и энергетиков. Примерно раз в 4-5 лет ученые публикуют свои многостраничные доклады о состоянии климата Земли. «Первый доклад» экспертов в 1990 г. содержал довольно скромные утверждения о происходящих колебаниях климата, в одном ученые были уверены наверняка - идет рост концентрации углекислого газа в атмосфере. Средний уровень углекислого газа в атмосфере по данным ВМО за последние 30 лет возрос от 340 до 390 частиц на миллион. Уверенность исследователей возрастала с каждым годом. Еще в 2006 г. 70% экспертов были уверены в том, что во всемирном изменении климата виноват человек, но уже из четвертого доклада МГЭИК в 2007 г. стало ясно, что число экспертов, уверенных в этом, возросло до 90-95%.

Проблемой снижения выбросов «парниковых газов» занимается практически все мировое сообщество, как на политическом, так и на промышленном и экологическом уровнях. Примером грамотной политики по снижению выбросов «парниковых газов» является Киотский протокол 1997 г. В декабре 1997 г. в Киото была проведена международная конференция по глобальному изменению климата на планете, в которой приняли участие представители из 159 стран. Был принят заключительный протокол, который предусматривал общее сокращение на 5,2% выбросов в атмосферу «парниковых газов». К 2008-2012гг. страны Европейского союза должны сократить выбросы «парниковых газов» (от уровня 1990 г.) на 8%, США - на 7%, Япония, Канада - на 6%. Россия и Украина к 2012 г. могут сохранить выбросы на уровне 1990 г. из-за уменьшения промышленного производства в последние годы. Примером промышленного снижения выбросов СО 2 могут служить работы, проводимые в Японии в 2007-2008 гг. по уменьшению выбросов диоксида углерода в результате растворения дымовых газов после газоиспользующих установок в морской воде. Однако это техническое решение не дало ожидаемых результатов, и работы в этом направлении были прекращены.

В последние десятилетие словосочетание «парниковый эффект» практически не сходит ни с экранов телевидения, ни со страниц газет. Учебные программы сразу по нескольким дисциплинам предусматривают его тщательное изучение, причем практически всегда указывается его негативное значение для климата нашей планеты. Однако это явление на самом деле намного более многогранно, чем это преподносится обывателю.

Без парникового эффекта жизнь на нашей планете была бы под вопросом

Можно начать с того, что парниковый эффект на нашей планете существовал на протяжении всей ее истории. Такое явление просто-напросто неизбежно для тех небесных тел, у которых, как и у Земли, присутствует устойчивая атмосфера. Без него, например, Мировой океан давно бы замерз, а высшие формы жизни вообще не появились бы. Ученые уже давно научно доказали, что если бы в нашей атмосфере отсутствовал углекислый газ, наличие которого является необходимой оставляющей процесса возникновения парникового эффекта, то температура на планете колебалась бы в пределах -20 0 С, так что речь о возникновении жизни вообще бы не шла.

Причины и сущность парникового эффекта

Отвечая на вопрос: "Что такое парниковый эффект?", в первую очередь следует отметить, что свое название данное физическое явление получило по аналогии с теми процессами, которые происходят в теплице у садоводов. Внутри нее, независимо от времени года, всегда на несколько градусов теплее, чем в окружающем пространстве. Все дело в том, что растения поглощают видимые солнечные лучи, которые абсолютно свободно проходят и через стекло, и через полиэтилен, и вообще практически через любое препятствие. После этого сами растения также начинают излучать энергию, однако уже в инфракрасном диапазоне, лучи которого уже не могут свободно преодолевать то же стекло, поэтому возникает парниковый эффект. Причины этого явления, таким образом, лежат именно в дисбалансе между спектром видимых солнечных лучей и теми излучениями, которые отдают во внешнюю среду растения и другие предметы.

Физическая основа парникового эффекта

Что касается нашей планеты в целом, то парниковый эффект здесь возникает из-за наличия устойчивой атмосферы. Чтобы поддерживать свой температурный баланс, Земля должна отдавать столько же энергии, сколько она получает от Солнца. Однако наличие в атмосфере углекислого газа и воды, которые поглощают инфракрасные лучи, выполняя, таким образом, роль стекла в теплице, вызывает образование так называемых парниковых газов, часть из которых возвращается обратно к Земле. Эти газы создают "эффект одеяла", повышая температуру у поверхности планеты.

Парниковый эффект на Венере

Из вышесказанного можно сделать вывод, что парниковый эффект характерен не только для Земли, но и для всех планет и других небесных тел, обладающих устойчивой атмосферой. И действительно, проведенные учеными исследования показали, что, например, у поверхности Венеры данное явление имеет гораздо более выраженный характер, что связано, в первую очередь, с тем, что ее воздушная оболочка практически на сто процентов состоит из углекислого газа.

Земли в результате воздействия хозяйственной деятельности человека. Особую тревогу вызывает увеличение концентрации парниковых газов в , которое приводит к нагреванию поверхности Земли и нижней атмосферы и, возможно, является одной из основных причин наблюдаемого в последние десятилетия потепления климата.

Наиболее Значимый природный парниковый газ - водяной пар Н20. Он поглощает и излучает длинноволновую инфракрасную радиацию в диапазоне длин волн 4,5 - 80 мкм. Влияние водяного пара на парниковый эффект является определяющим и создается преимущественно полосой поглощения 5 - 7,5 мкм. Тем не менее, часть излучения поверхности Земли в областях спектра 3 - 5 мкм и 8 - 12 мкм, называемых окнами прозрачности, уходит сквозь атмосферу в мировое пространство. Парниковый эффект водяного пара усиливается полосами поглощения углекислого газа, который попадает в атмосферу в результате вулканической деятельности, естественного круговорота углерода в природе, гниения органических веществ в почве при нагревании, а также человеческий деятельности, главным образом вследствие сжигания ископаемого топлива (угля, нефти, газа) и уничтожения лесов.

Помимо углекислого газа в атмосфере увеличивается содержание таких парниковых газов, как метан, закись азота и тропосферный озон. Метан поступает в атмосферу из болот и глубоких трещин в земной коре. Увеличению его концентрации способствуют развитие сельскохозяйственного производства (особенно расширение обильно орошаемых рисовых полей), увеличение поголовья скота, сжигание биомассы и добыча природного газа. Концентрацию закиси азота увеличивают использование азотных удобрений, выбросы самолетов, а также процессы окисления. Озон в тропосфере увеличивается в результате химических реакций под действием солнечных лучей между углеводородами и окислами азота, образовавшимися вследствие сжигания ископаемого топлива Концентрация этих газов возрастает быстрее, чем концентрация углекислого газа, и в будущем их относительный вклад в парниковый эффект атмосферы может увеличиться. Росту атмосферы способствует также увеличение концентрации сильно поглощающего аэрозоля индустриального происхождения (сажа) с радиусом частиц 0,001 - 0,05 мкм. Увеличение в содержания парниковых газов и аэрозолей может значительно повысить глобальную температуру и вызвать другие климатические изменения, экологические и социальные последствия которых пока трудно предсказать.