Причины парникового. Глобальное потепление и парниковый эффект
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.
Однажды Филипп де Соссюр провел опыт: выставил на солнце стакан, накрытый крышкой, после чего измерил температуру внутри стакана и снаружи. Температура внутри и за его пределами различалась - в закрытом стакане она была немного теплее. Чуть позже, в 1827 году физик Жозеф Фурье выдвинул гипотезу, что стакан на подоконнике может служить моделью нашей планеты - под слоями атмосферы происходит то же самое.
И он оказался прав, ныне каждый школьник хоть раз слышал термин «парниковый эффект», это то, что сейчас происходит с Землей , то, что сейчас происходит с нами. Проблема парникового эффекта - одна из глобальных экологических проблем , которая может повлечь за собой катастрофический ущерб для нашей планеты, ее флоры и фауны . Чем опасен парниковый эффект? Каковы его причины и последствия? Существуют ли пути решения данной проблемы?
Определение
Парниковый эффект - повышение температуры поверхности земли и воздуха, влекущие за собой изменения в климате. Каким образом это происходит?
Представим, что мы находимся в том же стакане на подоконнике в лаборатории Филиппа де Соссюр. На улице теплая погода, лучи солнца, попадающие на стакан, проникают сквозь стекло, нагревая его донышко. Оно в свою очередь отдает поглощенную энергию в виде инфракрасного излучения в воздух, находящийся внутри стакана, тем самым нагревая его. Инфракрасное излучение не может пройти обратно через стенки, оставляя тепло внутри. Температура внутри стакана повышается и нам становится жарко.
В случае с масштабом планеты Земли все работает немного сложнее, учитывая, что вместо стекла мы имеем слои атмосферы и вместе с солнечными лучами парниковый эффект создают еще многие другие факторы.
Причины парникового эффекта
Деятельность человека является одним из основных факторов образования парникового эффекта. Примечательно, что парниковый эффект существовал еще за несколько веков до технического и промышленного прогресса , но сам по себе никакой угрозы не представлял. Однако, с загрязнением атмосферы заводами, выбросами вредных веществ, а также сжиганием угля, нефти и газа ситуация усугубилась. Углекислый газ и другие опасные соединения, образующиеся при этом, способствуют не только росту онкологических заболеваний среди населения, но и повышению температуры воздуха.
Легковые и грузовые автомобили тоже вносят свою лепту в коктейль вредных веществ, выбрасываемых в воздух, тем самым усиливая парниковый эффект.
Перенаселение заставляет машину потребления и спроса работать продуктивнее: открываются новые заводы, скотоводческие фермы, выпускается больше автомобилей, в сотни раз увеличивая нагрузку на атмосферу. Одно из путей решения нам предлагает сама природа - бесконечные лесные просторы, способные очистить воздух и снизить уровень углекислого газа в атмосфере. Однако, человек массово вырубает леса .
В сельскохозяйственной промышленности в подавляющем большинстве случаев используются химические удобрения , способствующие выделению азота - одного из парниковых газов. Существует органическое сельское хозяйство , о котором можно почитать здесь. Оно абсолютно безвредно для атмосферы Земли, так как использует только натуральные удобрения, но, к сожалению, процент таких ферм крайне мал, чтобы «перекрыть» своей деятельностью неэкологические сельскохозяйственные фермы.
Вместе с тем увеличению парниковых газов способствуют огромные свалки, мусор на которых иногда самовозгорается или очень долго гниет, выделяя те же самые парниковые газы.
Последствия парникового эффекта
Неестественное повышение температуры влечет за собой изменение климата местности, а, следовательно, вымирание многих представителей флоры и фауны, не приспособленных к данному климату. Одна экологическая проблема порождает собой другую - видовое истощение.
Также, находясь в условиях «парилки», ледники - колоссальные «залежи» пресной воды! - медленно, но верно таят. За счет этого повысится уровень Мирового океана, а значит, затопит прибрежные районы, площадь суши уменьшится.
Некоторые экологи прогнозируют, что уровень Морового океана наоборот снизится, причем через 200 лет. Он начнет медленно высыхать под воздействием высокой температуры. Повысится не только температура воздуха, но и температура воды, а это значит, что не выживут многие организмы, чья жизненная система настолько тонко организована, что перепады температуры на 1-2 градуса для нее губительны. Например, уже сейчас вымирают целые коралловые рифы, превращаясь в груды мертвых залежей.
Не стоит оставлять без внимания и влияние на здоровье людей. Повышение температуры воздуха способствует активному распространению таких опасных для жизни вирусов как лихорадка Эбола, сонная болезнь, птичий грипп, желтая лихорадка, туберкулез и т.п. Участятся смерти от обезвоживания и теплового удара.
Пути решения
Несмотря на то, что проблема глобальна, ее решение заключается в нескольких простых действиях. Сложность в том, что выполнять их должно как можно больше человек.
6.Просвещать родных, друзей и знакомых, воспитывать в детях потребность заботиться о природе . Ведь любую проблему можно решить, действуя сообща.
Механизм парникового эффекта можно описать следующим образом: поверхность Земли, нагреваясь из-за поступающего от Солнца излучения, сама становится источником длинноволнового инфракрасного (теплового) излучения. Часть этого излучения уходит в космос, а часть - отражается некоторыми газами атмосферы и нагревает приземные воздушные слои. Это явление, подобное удержанию тепла под прозрачной пленкой теплиц, получило название парниковый эффект.
Основным источником жизни и всех природных процессов на Земле является лучистая энергия Солнца. Энергия солнечной радиации всех длин волн, поступающая на нашу планету в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам, называется солнечной постоянной и составляет 1,4 кДж/см 2 . Это лишь одна двухмиллиардная доля энергии, излучаемой поверхностью Солнца. Из общего количества солнечной энергии, поступающей на Землю, атмосфера поглощает - 20%. Примерно 34% энергии, проникающей в глубь атмосферы и доходящей до поверхности Земли, отражается облаками атмосферы, аэрозолями, в ней находящимися, и самой поверхностью Земли. Таким образом, до земной поверхности доходит - 46% солнечной энергии и поглощается ею. В свою очередь поверхность суши и воды излучает длинноволновую инфракрасную (тепловую) радиацию, которая частично уходит в космос, а частично остается в атмосфере, задерживаясь входящими в ее состав газами и нагревая приземные слои воздуха. Эта изоляция Земли от космического пространства создала благоприятные условия для развития живых организмов.
Солнечный свет поглощается поверхностью планеты и её атмосферой (особенно излучение в ближней УФ- и ИК-областях) и разогревает их. Нагретая поверхность планеты и атмосфера излучают в дальнем инфракрасном диапазоне: так, в случае Земли 75 % теплового излучения приходится на диапазон 7,8-28 мкм, для Венеры - 3,3-12 мкм.
Атмосфера, содержащая газы, поглощающие в этой области спектра (т. н. парниковые газы - H 2 O, CO 2 , CH 4 и пр., существенно непрозрачна для такого излучения, направленного от её поверхности в космическое пространство, то есть имеет в ИК-диапазоне большую оптическую толщину. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором, что, в свою очередь, приводит к тому, что переизлучение поглощённой солнечной энергии в космическое пространство происходит в верхних холодных слоях атмосферы. В результате эффективная температура Земли как излучателя оказывается более низкой, чем температура её поверхности.
Таким образом, задерживаемое идущее от земной поверхности тепловое излучение (подобно пленке над парником), получило образное название парниковый эффект. Газы, задерживающие тепловое излучение и препятствующие оттоку тепла в космическое пространство, называют парниковыми газами.
Понятие «парниковый эффект» хорошо известно всем садоводам и огородникам. Внутри парника температура воздуха выше, чем на открытом воздухе, что дает возможность выращивать овощи и фрукты даже в холодное время года.
Похожие явления происходят и в атмосфере нашей планеты, однако имеют более глобальные масштабы. Что же такое парниковый эффект на Земле и какие последствия может иметь его усиление?
Что такое парниковый эффект?
Парниковый эффект – это рост среднегодовой температуры воздуха на планете, происходящий за счет смены оптических свойств атмосферы. Легче понять суть этого явления можно на примере обычного парника, который имеется на любом приусадебном участке.
Представьте себе, что атмосфера – это стеклянные стены и крыша теплицы. Как и стекло, она с легкостью пропускает сквозь себя солнечные лучи и задерживает излучение тепла от земли, не давая ему уходить в космос. В результате тепло остается над поверхностью и нагревает приземные слои атмосферы.
Почему возникает парниковый эффект?
Причина появления парникового эффекта заключается в разнице между излучениями, и земной поверхности. Солнце с его температурой 5778 °С дает преимущественно видимый свет, весьма чувствительный для наших глаз. Поскольку воздух способен пропускать этот свет, солнечные лучи с легкостью проходят сквозь него и нагревают земную оболочку. Предметы и объекты у поверхности имеют среднюю температуру около +14…+15 °С, поэтому излучают энергию в инфракрасном диапазоне, не способную проходить через атмосферу в полном объеме.
Впервые подобный эффект был смоделирован физиком Филиппом де Соссюром, который выставил на солнце накрытый стеклянной крышкой сосуд, а после измерил разницу температур внутри него и снаружи. Внутри воздух оказался теплее, будто сосуд получил извне солнечную энергию. В 1827 году физик Жозеф Фурье высказал предположение, что такой эффект может происходить и с атмосферой Земли, оказывая влияние на климат.
Именно он сделал вывод, что температура в «парнике» повышается за счет различной прозрачности стекла в инфракрасном и видимом диапазоне, а также благодаря предотвращению стеклом оттока теплого воздуха.
Как парниковый эффект влияет на климат планеты?
При неизменных потоках солнечной радиации климатические условия и среднегодовая температура на нашей планете зависят от ее теплового баланса, а также от химического состава и температуры воздуха. Чем выше уровень парниковых газов у поверхности (озона, метана, диоксида углерода, водяного пара), тем выше вероятность усиления парникового эффекта и, соответственно, глобального потепления. В свою очередь уменьшение концентрации газов ведет к снижению температуры и появлению ледяного покрова в полярных районах.
Благодаря отражательной способности земной поверхности (альбедо) климат на нашей планете не раз переходил от стадии потепления к стадии похолодания, поэтому сам по себе парниковый эффект особой проблемы не представляет. Однако в последние годы в результате загрязнения атмосферы выхлопными газами, выбросами ТЭЦ и различных заводов на Земле наблюдается увеличение концентрации углекислого газа, что может привести к глобальному потеплению и негативным последствиям для всего человечества.
Какие последствия парникового эффекта?
Если за последние 500 тысяч лет концентрация диоксида углерода на планете никогда не превышала 300 промилле, то в 2004 году этот показатель составил 379 промилле. Чем грозит это нашей Земле? Прежде всего, ростом окружающей температуры и катаклизмами глобальных масштабов.
Таяние ледников может значительно повысить уровень мирового океана и вызвать тем самым затопление прибрежных районов. Считается, что через 50 лет после усиления парникового эффекта на географической карте может не остаться большинства островов, все морские курорты на материках исчезнут под толщей океанской воды.
Потепление на полюсах способно изменить распределение осадков по всей территории земли: в одних районах их число увеличится, в других уменьшится и приведет к засухе и опустыниванию. Негативным последствием роста концентрации парниковых газов выступает также разрушение ими озонового слоя, что уменьшит защиту поверхности планеты от ультрафиолетовых лучей и приведет к разрушению ДНК и молекул в человеческом организме.
Расширение озоновых дыр к тому же чревато потерей многих микроорганизмов, в частности, морского фитопланктона, что может оказать существенное влияние на животных, которые им питаются.
Парниковый эффект – способность (газов в атмосфере) в большей степени пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию по сравнению с тепловым излучением, испускаемым нагретой Солнцем Землей. В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна плюс 15°С, а без парникового эффекта она была бы минус 18°! Парниковый эффект – один из механизмов жизнеобеспечения на Земле.
Деятельность человека за последние 200 лет, и в особенности после 1950 г., привели к продолжающемуся и в настоящее время повышению концентрации в атмосфере газов, обладающих парниковым эффектом. Неизбежно последовавшая за этим реакция атмосферы заключается в антропогенном усилении естественного парникового эффекта. Суммарное антропогенное усиление парникового эффекта +2,45 ватт/м2 (Международный Комитет по изменению климата IPCC).
Парниковый эффект каждого из таких газов зависит от трех основных факторов:
а) ожидаемого парникового эффекта на протяжении ближайших десятилетий или веков (например, 20, 100 или 500 лет), вызываемого единичным объемом газа, уже поступившим в атмосферу, по сравнению с эффектом от углекислого газа, принимаемым за единицу;
б) типичной продолжительности его пребывания в атмосфере, и
в) объема эмиссии газа.
Комбинация первых двух факторов носит название “Относительный парниковый потенциал” и выражается в единицах от потенциала СО2.
Газы с парниковым эффектом:
Роль водяного пара , содержащегося в атмосфере, в общемировом парниковом эффекте велика, но трудно определима однозначно. При потеплении климата содержание водяного пара в атмосфере будет увеличиваться, тем самым усиливая парниковый эффект.
Диоксид углерода, или углекислый газ (СО2) (64% в парниковом эффекте), отличается, по
сравнению с другими парниковыми газами, относительно низким потенциалом парникового эффекта, но довольно значительной продолжительностью существования в атмосфере – 50–200 лет и сравнительно высокой концентрацией. Концентрация углекислого газа в атмосфере в период с 1000 по 1800 гг. составляла 270–290 частей на миллион по объему (ppmv), а к 1994 г. она достигла 358 ppmv и продолжает расти. Может достигнуть 500 ppmv к концу XXI века. Стабилизация концентрации может быть достигнута посредством значительного сокращения объема выбросов. Основной источник поступления углекислого газа в атмосферу – сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии.
Источники СО2
(1) Поступление в атмосферу вследствие сжигания горючих ископаемых и производства цемента 5,5±0,5
(2) Поступление в атмосферу вследствие трансформации ландшафтов в тропической и экваториальной зонах, деградация почв 1,6±1,0
Поглощение различными резервуарами
(3) Аккумуляция в атмосфере 3,3±0,2
(4) Аккумуляция Мировым океаном 2,0±0,8
(5) Аккумуляция в биомассе Северного полушария 0,5±0,5
(6) Остаточный член баланса , объясняемый поглощением СО2 экосистемами суши (фертилизация и др.) = (1+2)-(3+4+5)=1,3±1,5
Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере должно стимулировать процесс фотосинтеза. Это так называемая фертилизация, благодаря которой, по некоторым оценкам, продукция органического вещества может возрасти на 20–40 % при удвоенной по сравнению с современной концентрацией углекислого газа.
Метан (СН4) - 19 % от общей его величины парниковых газов (на 1995 г.). Метан образуется в анаэробных условиях, таких как естественные болота разного типа, толща сезонной и вечной мерзлоты, рисовые плантации, свалки, а также в результате жизнедеятельности жвачных животных и термитов. Оценки показывают, что около 20% суммарной эмиссии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного
газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60–80 % суммарной эмиссии метана в атмосферу. В атмосфере метан неустойчив. Он удаляется из нее вследствие взаимодействия с ионом гидроксила (ОН) в тропосфере. Несмотря на этот процесс, концентрация метана в атмосфере увеличилась примерно вдвое по сравнению с доиндустриальным временем и продолжает расти со скоростью около 0,8 % в год.
Рост температуры и увеличение увлажненности (то есть продолжительности нахождения территории в анаэробных условиях) еще более усиливают эмиссию метана. Это характер-
ный пример положительной обратной связи. Наоборот, снижение уровня грунтовых вод из-за пониженной увлажненности должно приводить к уменьшению эмиссии метана (отрицательная обратная связь).
Текущая роль оксида азота (N2O) в суммарном парниковом эффекте составляет всего около 6%. Концентрация оксида азота в атмосфере также увеличивается. Предполагается, что его антропогенные источники приблизительно вдвое меньше естественных. Источниками антропогенного оксида азота является сельское хозяйство (в особенности пастбища в тропиках), сжигание биомассы и промышленность, производящая азотсодержащие вещества. Его относительный парниковый потенциал (в 290 раз
выше потенциала углекислого газа) и типичная продолжительность существования в атмосфере (120 лет) значительны, компенсируя его невысокую концентрацию.
Хлорфторуглероды (ХФУ) – это вещества, синтезируемые человеком, и содержащие хлор, фтор и бром. Они обладают очень сильным относительным парниковым потенциалом и значительной продолжительностью жизни в атмосфере. Их итоговая роль в парниковом эффекте составляет 7%. Производство хлорфторуглеродов в мире в настоящее время контролируется международными соглашениями по защите озонового слоя, включающими и положение о постепенном снижении производства этих веществ, замене их на менее озонразрушающие с последующим полным его прекращением. В результате концентрация ХФУ в атмосфере начала сокращаться.
Озон (О3) – важный парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Он влияет как на коротковолновую, так и на длинноволновую радиацию, и потому итоговые направление и величина его вклада в радиационный баланс в сильной степени зависят от вертикального распределения содержания озона, в особенности на уровне тропопаузы. Оценки указывают на положительную результирующую +0,4 ватт/м2.