2.12 Химия парникового эффекта

Что касается механизма действия парниковых газов, то можно сказать, что парниковые эффекты всех стабильных парниковых компонент обусловлены их тропосферным содержанием, поскольку в тропосфере находится более 75 % их общего количества. Т.е., практически весь поток ИК-излучения, который стабильные парниковые газы могут вернуть назад, они возвращают из тропосферы. Начиная с уровня тропопаузы, излучение безвозвратно уходит в космос. Исключение из этого правила касается только озона. Озон распределен по высоте существенно иначе, чем другие парниковые газы. В отличие от них, его относительное содержание непрерывно растет с высотой и достигает максимума на высотах 20-25 км. В результате земное ИК-излучение, поглощаемое озоном, будет возвращаться на землю вплоть до высоты 30 км и убыль или рост стратосферного озона до высоты 30 км будет давать такой же эффект, как убыль или рост концентрации обычных парниковых газов в тропосфере.

Тропосферный озон составляет всего 10 % от общего содержания озона в атмосфере. При истощении стратосферного озона на 6,8 % (типичное для среднеширотной атмосферы среднеглобальное значение для конца прошлого века) содержание тропосферного озона уменьшается на 2,6 %, метана – на 5,5 %. Одновременно концентрация свободных радикалов ОН’ в тропосфере увеличивается на 5 %, а концентрация атомарного кислорода – на 12 %.

Доля отраженного излучения (0,31) и составляет величину альбедо системы Земля- атмосфера в целом. Если бы больше ничего не происходило, то радиационная температура поверхности была бы 255 К, т.е. на 33 °С ниже ныне наблюдаемой среднеглобальной температуры. Как показано на рисунке 3.7 46 % солнечного излучения поглощается непосредственно земной поверхностью и идет на ее нагрев. В результате возникает направленный вверх поток инфракрасного излучения. Из 115 единиц этого излучения 106 единиц поглощается в атмосфере облаками, парами воды и другими парниковыми газами, которые излучают в космос 69 единиц и возвращают назад 100 единиц, т.е. столько, сколько приходит на верхнюю границу атмосферы от Солнца.

Таким образом, радиационный баланс в системе Земля-космос обеспечивается на 31 % коротковолновым излучением и на 69 % длинноволновым излучением. Эта ситуация характерна для сегодняшнего содержания парниковых газов в атмосфере и сегодняшней среднеглобальной облачности.

Вследствие истощения озонового слоя в тропосфере возникает повышенный поток УФ-излучения в диапазоне 290-320 нм, что приводит к повышенной скорости фотодиссоциации тропосферных веществ, поглощающих это излучение

Их фотодиссоциация приводит к образованию дополнительного количества радикалов ОН, которые являются наиболее важным тропосферным окислителем. Реакции ОН с молекулами метана, фторуглеродов (HCFC и HFC) приведут к уменьшению их концентрации в тропосфере и снижению прямого парникового эффекта этих веществ.

Дополнительное снижение парникового эффекта произойдет также из-за разрушения некоторого количества тропосферного озона в цепных реакциях водородного цикла (с участием радикалов ОН). Таким образом, косвенное влияние истощения стратосферного озона на парниковый эффект должно было способствовать его дополнительному уменьшению.

Тропосферные химические процессы в еще большей степени могут повлиять на парниковый эффект. Это влияние обусловлено следующими причинами:

- ростом тропосферного озона из-за роста эмиссии и концентрации метана, оксида углерода и оксидов азота

- уменьшением концентрации ОН радикалов из-за расходования их в реакциях с возросшим количеством оксида углерода и метана

- дополнительным увеличением концентрации ОН радикалов.

Образование озона при окислении метана и оксида углерода происходит по следующим механизмам:

- окисление метана;

- окисление оксида углерода и оксида азота.

Из приведенных схем и сопоставления концентраций и констант скорости соответствующих реакций можно заключить, что повышение концентрации, главным образом, оксида углерода и, частично, метана будет приводить к уменьшению концентрации радикалов ОН, что в свою очередь приведет к дополнительному увеличению концентрации самого метана, а также молекул HCFH и HFC, с которыми реагируют радикалы ОН. В результате прямой вклад метана, HCFH и HFC в парниковый эффект дополнительно возрастет.

К парниковым газам относятся следующие вещества:

- диоксид карбона (углекислый газ) – важнейший источник климатических изменений, на долю которого приходится, по оценкам, около 64 % глобального потепления. Основными источниками выброса углекислого газа в атмосферу являются производство, транспортировка, переработка и потребление ископаемого топлива (86 %), сведение тропических лесов и другое сжигание биомассы (12 %), и остальные источники (2 %), например, производство цемента и окисление моноксида углерода. После выделения молекула двуокиси углерода совершает цикл через атмосферу и биоту и окончательно поглощается океаническими процессами или путем длительного накопления в наземных биологических хранилищах (т.е. поглощается растениями). Количество времени, при котором примерно 63% газа выводится из атмосферы, называется эффективным периодом пребывания. Оцениваемый эффективный период пребывания для углекислого газа колеблется в пределах от 50 до 200 лет

- метан (СН4) имеет как природное, так и антропогенное происхождение. В последнем случае он образуется в результате производства топлива, пищеварительной ферментации (например, у скота), рисоводства, сведения лесов (главным образом, вследствие горения биомассы и распада избыточной органической субстанции). На долю метана приходится, по оценкам, примерно 20 % глобального потепления. Выбросы метана представляют собой значительной источник парниковых газов

- закись 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

- перфторуглероды – ПФУ (Perfluorocarbons – PFCs).Углеводородные соединения, в которых фтор частично замещает углерод. Основными источниками эмиссии этих газов являются производство алюминия, электроники и растворителей. При алюминиевой плавке выбросы ПФУ возникают в электрической дуге или при так называемых «анодных эффектах»

- гидрофторуглероды (ГФУ) – углеводородные соединения, в которых галогены частично замещают водород. Газы, созданные для замены озоноразрушающих веществ

- гексафторид серы (SF6) – парниковый газ, использующийся в качестве электроизоляционного материала в электроэнергетике. Выбросы происходят при его производстве и использовании. Чрезвычайно долго сохраняется в атмосфере и является активным поглотителем инфракрасного излучения. Поэтому это соединение, даже при относительно небольших выбросах, обладает потенциальной возможностью влиять на климат в течение продолжительного времени в будущем.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К МОДУЛЮ 2

1. Температурный режим системы “Земля-атмосфера”?

2. Химический состав атмосферы?

3. Физические процессы, происходящие в атмосфере?

4. Подразделение атмосферы Земли в зависимости от распределения температуры.

5. Особенности физико-химических процессов в ионосфере?

6. Химия парникового эффекта?

7. Факторы, влияющие на атмосферные процессы?

8. Образование атмосферной аэрозоли?

9. Парниковый эффект.

10. От чего зависит инсоляция поверхностей?

11. Методы расчета инсоляции?

12. Законы отражения света?

13. Тепловой баланс и тепловой режим земной поверхности и атмосферы?

14. Конвекция в атмосфере?

15. Радиационный баланс атмосферы и подстилающей поверхности?

16. Конденсация водяного пара в атмосфере?

17. Влажность воздуха?

18. Оптические явления в атмосфере

19. Воздействие ракетной техники на ионосферу

20. Состав сухого воздуха атмосферы?

21. Источники загрязнения атмосферного воздуха?

22. Окислительные компоненты атмосферы

23. Озоновый слой в атмосфере?

24. Взаимодействие аэрозолей с объектами техносферы?