Современный состав атмосферного воздуха у поверхности Зем- ли, включая основные его примеси, приведен в табл. 6.1 [2].

Основным газом атмосферы является азот. Образование боль- шого количества азота N2 обусловлено окислением аммиачно-во-

дородной атмосферы молекулярным кислородом О2, который стал

поступать с поверхности планеты в результате фотосинтеза 3 млрд лет назад. Также азот N2 выделяется в атмосферу в результате де-

нитрификации нитратов и других азотосодержащих соединений. Азот окисляется озоном до NO в верхних слоях атмосферы. Азот N2 вступает в реакции лишь в специфических условиях (например,

при разряде молнии). Окисление молекулярного азота озоном при электрических разрядах в малых количествах используется в про- мышленном изготовлении азотных удобрений.

Кислород является вторым по составу и определяющим для жизни газом атмосферы. Атмосфера начала насыщаться кислородом в фанерозое, когда ее состав начал радикально меняться с появле- нием на Земле живых организмов, в результате фотосинтеза, сопро- вождающегося выделением кислорода и поглощением углекислого газа [7]. Кислород, в отличие от азота,

газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического ве- щества. Аргон является третьим по распространенности элементом в земной атмосфере и представляет собой инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха.

Наиболее изменяющимися в настоящее время и оказывающи- ми наибольшее воздействие на динамику климата являются парни- ковые газы или малые газовые компоненты, к которым относятся:

СО2 – углекислый газ, CH4 – метан, N2O – закись азота, О3 – озон, Н2O – водяной пар, фреоны (хлорфторуглероды). Несмотря

на то что они занимают всего 0,1 % объема атмосферы, их

назначение является очень важным, так как они задерживают уходящее с по- верхности Земли длинноволновое излучение и значительно увели- чивают температуру тропосферы. Вклад этих

от CO2, 1,4 К от N2O, 0,8 К от CH4, 2,4 К от О3,

0,3 К от NH4 и фреонов [19]. Глобальные концентрации СО2,

молекул газа на миллиард молекул воздуха по объему (англ. ppb –

Parts per billion).

О парниковых газах можно привести следующие основные све- дения [2, 23].

Водяной пар (Н2О) является основным естественным парни-

ковым газом, который ответственен более чем за 60 % парникового эффекта. Однако водяной пар участвует и во множестве других про- цессов, что делает его роль далеко неоднозначной в разных услови- ях. Прежде всего при испарении с поверхности Земли и дальнейшей конденсации в атмосфере в нижние слои атмосферы (тропосферу)

благодаря конвекции переносится до 40 % от всего тепла, посту- пающего в атмосферу. Таким образом, водяной пар при испарении несколько понижает температуру поверхности. Но выделившееся в результате конденсации в атмосфере тепло идет на ее разогрев и в дальнейшем – на разогрев и самой поверхности Земли. Но после конденсации водяного пара образуются капли воды либо кристаллы льда, которые интенсивно участвуют в процессах рассеяния солнеч- ного света, отражая часть солнечной энергии назад в космос. Облака, как раз представляющие собой скопления этих капель и кристаллов, увеличивают долю солнечной энергии (альбедо), отражаемой самой атмосферой обратно в космос (а дальше осадки из облаков могут вы- пасть в виде снега, увеличивая альбедо поверхности). Фактически, сконденсированный в капели либо кристаллы льда водяной пар тоже является одним из аэрозолей, общие свойства которых были рассмо- трены выше. Однако у водяного пара все равно остаются мощные полосы поглощения в инфракрасной области спектра, а значит, роль тех же облаков далеко не однозначна. Двойственность эта особенно заметна в следующих крайних случаях: при покрытии облаками неба в солнечную летнюю погоду температура на поверхности снижается, а если то же самое происходит зимней ночью, то наоборот, повы- шается. На окончательный результат влияет и положение облаков: на низких высотах мощная облачность отражает много солнечной энергии, и баланс может быть в данном случае в пользу антипарни- кового эффекта, а вот на больших высотах разреженные перистые облака пропускают довольно много солнечной энергии вниз, но даже разреженные облака являются почти непреодолимым препятствием для инфракрасного излучения, и здесь можно говорить о преоблада- нии парникового эффекта.

Человеческая деятельность очень слабо непосредственно влияет на содержание водяного пара в атмосфере – только лишь за счет ро-

энергетики, что на фоне испарения со всей водной поверхности Зем- ли и вулканической деятельности ничтожно мало. Из-за этого доволь- но часто на ней мало акцентируется внимание при рассмотрении про- блемы парникового эффекта. Однако косвенное

положительная обратная связь, то есть чем теплее атмосфера, тем больше водяного пара она может содержать (закон Клапейрона– Клаузиуса). С другой стороны, повышение влажности способствует развитию облачного покрова, а облака в атмосфере отражают

Основной источник Н2О – испарение с океана, затем с почв

(эватранспирация), на что затрачивается в среднем 23 % солнечной

радиации, приходящей на земную поверхность. В атмосфере содер- Н2О 2 г/см3 или 3200 млн-1 (3200 ppm), но локальные изменения жится в среднем 1,29·1013 т влаги (водяного пара и жидкой воды), в пространстве и во времени очень велики. Среднее время жизни что эквивалентно слою воды 25,5 мм. Среднегодовое содержание молекулы в атмосфере – 10 дней. Некоторые данные наблюдений

свидетельствуют о росте водяного пара в атмосфере, например, по данным измерений на станции Иссык-Куль содержание водяного пара растет в виде линейного тренда со скоростью 1 % в год [11].

Углекислый газ (СО2 ), или двуокись углерода (диоксид углеро-

да), является вторым газом по вкладу в парниковый эффект (около 22 %). В отличие от водяного пара, углекислый газ не выморажи- вается при понижении температуры и продолжает создавать пар- никовый эффект даже при самых низких температурах,

и другие. Основными потребителями углекислого газа являются растения, однако в состоянии равновесия большинство биоценозов за счет гниения биомассы производит приблизительно столько же углекислого газа, сколько и поглощает. Антропогенная эмиссия уве- личивает концентрацию углекислого газа в атмосфере, что, предпо- ложительно, является главным фактором изменения климата.

Углекислый газ является «долгоживущим» в атмосфере: время жизни молекулы около 5 лет. Он практически не поглощает прихо- дящую солнечную радиацию, но очень сильно поглощает тепловую уходящую длинноволновую радиацию в диапазоне 13–17 мкм. Дан- ные регулярных измерений на сети станции показывают его ста- бильный рост примерно со скоростью 5 % в год практически во всех частях Земли в виду хорошего перемешивания и переноса воздуш-

ными течениями. Выявлен также и сезонный ход СО2 с

наибольшей амплитудой в 20 ppm для внутриконтинентальных областей средних

широт и с наименьшей (несколько ppm) – в тропиках, над океанами

и в высоких широтах. Максимум концентрации наблюдается в кон- це зимы – начале весны, а минимум – в конце лета – начале осени, что связано с усилением биологической активности в теплый период и поглощением его растениями. Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе «литосфера – гидросфера – атмосфе- ра», и изменение земного климата связывают прежде всего с измене- нием баланса его поступления в атмосферу и выведения из нее.

Озон (О3 ) является третьим по вкладу в парниковый эффект га- зом (около 25 % от вклада СО2) в полосе мощного поглощения 9,6 мкм

являются основными источниками этих веществ в атмосфере. Метан также способствует образованию озона. Время жизни тропосферно- го озона составляет примерно 22 дня, основными механизмами его удаления являются связывание в почве, разложение под действием ультрафиолетовых лучей и реакции с радикалами OH и HO2.

Концентрации тропосферного озона отличаются высоким уров- нем изменчивости и неравномерности в географическом распреде- лении. Существует система мониторинга уровня тропосферного озона, основанная на спутниках и наземном наблюдении, которая требует очень большого числа пунктов наблюдений из-за высокой изменчивости в пространстве и во времени и в связи с тем, что при концентрации 60 ppb и больше он опасен для растений и здоровья человека.

Поскольку для образования озона требуется солнечный свет, высокие уровни озона наблюдаются обычно в периоды жаркой и сол- нечной погоды, и летний максимум может быть в 2 раза выше зим- него минимума. Нынешняя средняя концентрация тропосферного озона в три раза выше, чем в доиндустриальную эпоху. Увеличение концентрации озона вблизи поверхности имеет сильное негативное воздействие на растительность, повреждая листья и угнетая их фо- тосинтетический потенциал. В результате исторического процесса увеличения концентрации приземного озона, вероятно, была пода- влена способность поверхности суши поглощать СО2, и поэтому

увеличились темпы роста СО2 в XX веке. Ученые, например Ситч

(Sitch, 2007), полагают, что это косвенное воздействие на климат увеличило почти вдвое тот вклад, который концентрация приземно- го озона внесла в изменения климата.

Метан (СН4 ) – болотный, или рудничный, газ считается

угарного газа), озона и во- дяного пара. Концентрация метана увеличилась больше остальных парниковых газов – в 2,5 раза по сравнению с доиндустриальным периодом, хотя в последнее время (см. рис. 6.1) она практически не меняется [25]. Время жизни метана, поступающего в атмосферу,

порядка 8–12 лет, и выводится он из атмосферы в основном путем реакции с радикалом ОН, образующимся в атмосфере в

результате фотохимических реакций озона. Причем в результате

Оценка потоков метана из антропогенных и некоторых есте- ственных источников составляет в общем около 0,48 Гт/год. К этим источникам относят болота (0,05–0,07 Гт/год), насекомые, прежде всего термиты (0,02 Гт/год), рисовые поля (0,12 Гт/год), домаш- ние животные, прежде всего жвачные (0,08 Гт/год), а также свалки (0,05 Гт/год). Включают также выделение метана при добыче угля (0,035 Гт/год) и потери при добыче газа (0,034 Гт/год), а также неко- торые другие источники: добычу нефти, угля, сжигание биомассы, переработку мусора. Ранее считалось, что поток метана из недр Зем- ли невелик, и его практически не учитывали, однако некоторые со- временные оценки поступления метана от дегазации недр, основан- ные на анализе содержания различных изотопов углерода, входящего в состав метана, дают уже весьма значимые цифры – около 0,2 Гт/год и даже более. Поток метана в атмосферу может значительно увели- читься при разрушении под действием происходящего потепления климата так называемых метангидратов, обнаруженных в последние десятилетия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана.

Метангидраты – это фактически тот же лед, в котором в карка- сах молекул воды присутствуют еще молекулы метана. Значительная часть метангидратов находится в метастабильном состоянии и под- вергаются опасности разложения при небольшом повышении тем- пературы. Запасы метана в метангидратах просто огромны – около

104 Гт, что во много раз больше известных запасов его в залежах, а также угольных пластах, и в две тысячи раз превышает его со-

держание в атмосфере сегодня. Так что высвобождение всего этого метана (даже не единовременное) способно очень сильно поднять температуру на поверхности Земли.

Время жизни метана в атмосфере продолжительное – 12 лет, концентрация сегодня составляет 1,7 ppm (ранее – 0,7 ppm), вари- ации по Земле небольшие: от 1,6 ppm в высоких широтах Южного полушария до 1,7 ppm – высоких широтах Северного и по высоте метан уменьшается до 1,5 ppm в нижней стратосфере. Сезонные изменения концентрации метана наблюдаются на всех широтах и наиболее выражены в умеренных и высоких широтах Южного полу- шария – до 30 ppb. Источники метана находятся на суше, а стоки – в океане и стратосфере.

Закись азота (N2O), или веселящий газ, хотя и имеет неболь- шой вклад в парниковый эффект, но ее парниковая активность