Парникоый эфффект

Парниковый  эффект

“Что-то неладное творится с погодой!”. Об этом судачат на скамейках старики. Об этом же рассуждают на своих семинарах и конференциях солидные ученые. Старожилы с удивлением замечают, что перестали сбываться многочисленные народные приметы типа: “Если лето было холодным, то зима...”. Словно, в природе происходят процессы, которые уже не вписываются в прежние схемы и формулы. аномальные и достаточно мощные обычные землетрясения, грандиозные наводнения и ураганы стали частыми гостями во многих странах мира, которые раньше о таких бедах знали лишь понаслышке.

Климат планеты  стремительно меняется. Из семнадцати последних лет (1981-1997 гг.) четырнадцать оказались самыми теплыми за всю  историю метеорологических наблюдений (начиная с середины ХVII века), а 1995 г. был на 0,75 °С теплее климатической нормы конца прошлого века. Явно обозначившаяся тенденция к потеплению может привести в обозримом будущем к серьезным последствиям для состояния экосистем, отразиться на хозяйственном производстве, уровне Мирового океана, состоянии береговой линии на всем ее протяжении и многом другом. Наиболее трагические оценки размеров материального ущерба превышают 1 триллион долларов или 10% мирового валового продукта к середине следующего столетия, не говоря уже о колоссальных людских потерях, оцениваемых примерно в 100 миллионов человек. Разумеется, что такая перспектива, представляющая по сути угрозу существованию человеческой цивилизации, не может не вызывать пристального интереса не только ученых, но и всего общества.

В широком общественном сознании укрепилась простая схема  взаимодействия человеческой деятельности и климата - образующийся при сжигании органического топлива углекислый газ накапливается в атмосфере  и задерживает часть отраженного  поверхностью Земли солнечного излучения, что приводит к возрастанию температуры (так называемый парниковый эффект). В действительности все обстоит  не так просто.

Прежде всего не только CO2 обладает свойством парникового эффекта. К парниковым газам относятся метан, закись азота, фреоны, озон и другие газы, количественное присутствие которых в атмосфере также может быть обусловлено антропогенными причинами. Оценки показывают, что вклад малых парниковых составляющих атмосферы в суммарный эффект сейчас достигает 40%. Кроме того, в анализе причин изменения климата следует принять в расчет естественные процессы, никак не связанные с человеческой деятельностью. То, что такие процессы происходят, подтверждает история климата Земли еще до появления на ней человека разумного, а затем и на протяжении нескольких тысячелетий до начала XIX века, откуда отсчитывается индустриальная эра развития цивилизации.

На рис. 3-1 приведено  изменение среднегодовой температуры  Северного полушария за последние 11000 лет. Значения температуры представлены как отклонения от климатической нормы 1951-80 гг. Нетрудно увидеть, что температура испытывала значительные колебания еще задолго до того, как человек мог оказать, сколько ни будь заметное влияние на глобальные процессы циркуляции атмосферы, ее газовый состав.

Рис. 3-1. Аномалии среднегодовой температуры Северного полушария (в отклонениях

от климатической  нормы 1951—80 гг.) и концентрация CO2 в  атмосфере за последние 11000 лет.

Другим подтверждением весомости естественных факторов формирования климата является изменение концентрации CO2 в атмосфере - главного "обвиняемого" в потеплении климата, по мнению ряда экспертов (рис. 3-1). Выясняется, что  содержание двуокиси углерода в атмосфере  претерпевало значительные колебания  вне зависимости от человеческой деятельности. Подчеркну также, что  как видно на рис. 3-1, жесткой связи  между средне-глобальной температурой и концентрацией диоксида углерода в атмосфере не наблюдается - повышение  содержания CO2 может, как предшествовать росту температуры (например, период около 2700 г. до н.э.), так и отставать  от него (примерно 1200 г. н.э.). Таким образом, человек не может нести всю  полноту ответственности за парниковый эффект, за потепление климата. Антропогенное  воздействие должно рассматриваться  вместе с естественными причинами  изменения климата. Какие же факторы  оказывают влияние на климат? Если ограничиться масштабом времени, не превышающим тысячелетия, что является характерным для современного периода "парниковой" проблемы, то, на мой  взгляд, существенными оказываются  следующие факторы:

концентрации  парниковых газов атмосферы;

концентрации  тропосферных аэрозолей (серно-кислотные или сульфатные аэрозоли, образующиеся в результате взаимодействия оксидов серы и атмосферного водяного пара);

солнечная постоянная, т.е. тепловой поток, поступающий от Солнца на внешнюю границу тропосферы;

вулканическая активность, определяющая степень насыщения  стратосферы аэрозолями серной кислоты. В отличие от тропосферного аэрозоля со временем жизни примерно 6 суток стратосферный аэрозоль является долгоживущим - его время жизни достигает 5-7 лет;

апериодические  колебания в системе атмосфера - океан (явление Эль-Ниньо/Южное  колебание) - повторяющиеся через  нерегулярные промежутки времени значительные (до 12 °С) колебания температуры морской  воды в гигантской акватории Тихого океана (0-12° южной широты, 180-80°  западной долготы);

параметры орбиты Земли (эксцентриситет, прецессия, угол наклона оси вращения Земли к  плоскости эклиптики). Изменение первых двух факторов в последние 200 лет вызывается в основном антропогенной деятельностью и, в первую очередь, сжиганием органического топлива. В то же время все остальные факторы имеют исключительно естественное происхождение. Рассмотрим вкратце влияние каждого из перечисленных факторов.

Концентрации  парниковых газов  в атмосфере

Безусловно, важнейшим  из парниковых газов является двуокись углерода. Его основным источником служат процессы сжигания органического  топлива (уголь, газ, нефть и продукты ее переработки, горючие сланцы, дрова). За счет этого в атмосферу поступает  до 80% двуокиси углерода. Существует достаточно большое количество прогнозов развития энергетики. Однако их точность оставляет  желать лучшего. В своем большинстве  прогнозы дают явно завышенные оценки по сравнению с реальными цифрами  мирового энергопотребления.

На рис. 3-2 приведен по данным ряд оценок потребления  энергии в мире в 2000 году, они лежат  в пределах от 16 до 21 Гт.у.т. В действительности же эта величина вряд ли превысит значение 14 Гт.у.т. при сохранении нынешних тенденций (в 1997 г. она составила 13,3 Гт.у.т.).

Прогнозы: 1 –  Института атомной энергии (ИАЭ), 1987г.; 2 – Международного института  прикладного системного анализа (IIASA), 1981 г.; 3 – Международного агентства  по атомной энергии (МАГАТЭ), 1984 г.; 4 – Окриджской национальной лаборатории, 1985г.; 5 – Мировой энергетической конференции (WEC), 1984 г.; 6 – Международной комиссии по изменению климата (IPCC), 1992г.

Рис. 3-2. Потребление  энергии в мире с середины XIX века и недавние прогнозы энергопотребления  на 2000 г.

Наиболее предпочтительным представляется прогноз, основанный на историко-экстраполяционном подходе, анализе современных тенденций развития энергетики. К важнейшим особенностям прогноза следует отнести:

признание того, что потребление энергии на душу населения является важнейшим экономическим  и социальным показателем, определяющим как уровень жизни конкретной страны, так и этап исторического  развития, на котором она находится;

установление  факта стабилизации душевого потребления  энергии для развитых индустриальных стран, ответственных примерно за 50% мирового потребления топлива. Уровень, на котором происходит стабилизация душевого потребления энергии, определяется исключительно климато-географическими факторами: среднегодовой температурой страны, рельефом и размером ее территории. Этот факт позволяет оценить оптимальное значение е* душевого энергопотребления для каждой страны;

выделение пяти характерных регионов мира в зависимости  от душевого потребления энергии  в год и годового естественного  прироста населения - другого важнейшего критерия степени развития страны.

На рис. 3-3 представлена энергодемографическая диаграмма состояния мира в коор-динатах е/е* - душевое потребление энергии в год по отношению к оптимальному для данной страны значению и AGR (Annual Growth Rate) - годовая разность между рождаемостью и смертностью по отношению к общей численности населения.

Рис. 3-3. Энергодемографическая диаграмма состояния мира

Анализ диаграммы  позволяет выделить следующие характерные  группы стран:

развитые индустриальные страны, где е/е*"1 и низкие AGR (значительно  ниже среднемирового значения 1,73% в  год);

страны с переходной экономикой. В них демографическая  стабилизация практически достигнута, но насыщение энергопотребления  еще не наступило;

новые развитые страны характеризуются потреблением энергии ниже оптимального (е/е* <1) и значениями AGR на уровне выше 1% в  год;

страны-экспортеры нефти с потреблением энергии  выше оптимального и приростом населения  выше среднемирового;

развивающиеся страны характеризуются уровнем  потребления энергии значительно  ниже оптимального и значениями AGR, как правило, выше мирового;

учет обратных связей в системе энергетика - климат. Преобладающие связи оказываются  отрицательными. Во-первых, увеличение концентрации СО2 в атмосфере вместе с потеплением климата ведет к возрастанию биопродукции тропических, хвойных и умеренных лесов и, соответственно, к росту поглощения ими СО2. Во-вторых, в результате повышения средней температуры уменьшается потребность в энергии у высокоширотных развитых стран;

учет экономии энергии в результате урбанизации. Современные крупные города являются местами сосредоточения промышленности, транспортных средств, густо населенных жилых массивов. Наличие на городской территории асфальтированных улиц и площадей, содержание в городской атмосфере газовых и аэрозольных загрязнений приводит к изменению баланса солнечной радиации. Совокупность перечисленных факторов приводит к образованию городского "острова тепла", т.е. к тому, что температура воздуха в пределах города на несколько градусов выше, чем в пригородной зоне.

Результаты анализа  представлены на рис. 3-4 и рис. 3-5, на которых изображены прогнозы мирового потребления энергии и потребления  на душу населения до 2100 г. Главный  вывод состоит в том, что уже  во 2-й половине наступающего столетия потребление энергии стабилизируется, а к концу XXI века начнется его  слабое снижение.

Рис. 3-4. Прогноз  мирового потребления энергии Е Рис. 3-5. Прогноз мирового потребления энергии е на душу населения.

Ожидается, что  стабилизация наступит при значениях 24-25 Гт.у.т., отличающихся от нынешнего менее чем в 2 раза. Что же касается душевого потребления энергии, то, пройдя через максимум приблизительно в 2030 г., его значение снизится к концу века до нынешнего уровня (примерно 2,3 т.у.т./(чел. год)). Использование представленных результатов в расчетах концентрации CO2 в атмосфере на основе модели углеродного цикла позволило предсказать изменение этой величины в следующем столетии (рис. 3-6).

Как видно на рисунке, достигнутая в настоящее  время скорость роста концентрации CO2, по-видимому, сохранится в ближайшие 40-50 лет. После этого скорость начнет снижаться, и к концу XXI века будет достигнуто значение около 460 млн-1 , что всего на 65% выше уровня1800 г. Такой результат вселяет определенный оптимизм, так как, по общему мнению экспертов, критическим, после которого можно ожидать необратимых изменений в экосистемах, признается значение концентрации CO2, вдвое превышающее значение для доиндустриальной эры ("280 млн-1).

Несколько слов о других, помимо CO2, составляющих атмосферу  газов, приводящих к парниковому  эффекту... Следующими по вкладу в парниковый эффект являются метан СН4 и закись азота N2O. Концентрация того и другого газа определяется как естественными, так и антропогенными причинами. Так, естественным источником СН4 являются переувлажненные почвы, в которых происходят процессы анаэробного разложения. Человек добавил свои источники - рисовые плантации, добычу и транспортировку природного газа, сжигание биомассы и др.

К естественным поставщикам N2O в атмосферу относятся  океан и почвы. Антропогенная  добавка связана с сжиганием топлива и биомассы, вымыванием азотных удобрений. Как показывают расчеты , рост концентрации того и другого компонента атмосферы должен прекратиться в следующем столетии, и к 2050 г. будет достигнута стабилизация концентрации СН4 на уровне 2,5 млн-1, а к 2100 г. и концентрации N2O на уровне 0,37 млн-1. Эти значения превосходят нынешние всего на 20%. В перспективе должны полностью утратить свою роль как парниковой составляющей фреоны - газы, имеющие чисто индустриальное происхождение. Это следует из решений Копенгагенской встречи (1992 г.) стран-участниц Монреальского протокола по озоноразрушающим веществам (1987 г.). Вместе с тем можно ожидать постепенного накопления в атмосфере их заменителей. Однако даже к концу XXI века их концентрация в атмосфере не превысит значения 1,5 млрд-1, что может дать вклад в суммарный парниковый эффект не более 10%.