1.6. Парниковый эффект

Уже довольно продолжительное время человечество проникается проблемой изменения климата на Земле. То, что эти изменения происходят - не вызывает сомнения даже у школьников. Но факт антропогенного вітливу, то есть влияния людской деятельности на изменения климата относятся под сомнение многими научными школами, особенно развитых стран, в области физики атмосферы, климатологии, геофизики, гидрологии, физики океана и т.п. Самые большие сторонники обвинения людской деятельности в климатических аномалиях - это экологи. Среди известных признанных мировой наукой факторов влияния на климат, выделяют четыре: циклические колебания интенсивности излучения Солнца; изменение траектории движения Земли, концентрация парниковых газов, концентрация аерозолей. Два последних, особенно третий фактор, по мнению экологов, и является основной причиной изменения климата па Земли, потому что именно они приводят к так называемому парниковому эффекту.

Впервые мысль о влиянии газов, которые скапливаются в атмосфере благодаря человеческой деятельности, высказал в конце XIX столетие Нобелевский лауреат С. Арреніус. Он считал, что газы, которые попадаются в атмосферу, поглощают тепло и задерживают тепловое излучение из поверхности планеты, тем самым повышая среднюю температуру поверхности Земли и создавая так называемый парниковый эффект.

Наиболее известные теории цикличности изменения климата на Земле: каждое 100 тысяч лет средняя температура меняется с амплитудой 5 - 10°С под влиянием космоса, в частности солнечной активности. Новейшие исследования американских ученых будто бы утвердительно отвечают на вопрос о первопричине изменения климата - космические факторы. Такое утверждение дало возможность научно обосновать отказ США подписать Киотские протоколы.

Официальная, обоснованная исследователями точка зрения США заключается в том, что статистическое обобщение данных почти трехлетних наблюдений климата доказывает то, что потепления происходит естественным путем и почти не связанное с антропогенной деятельностью.

Позиция США станет понятной, если выяснить сущность Киотского протокола 1997 года к Рамочной Конвенции ООН об изменении климата. Рамочная Конвенция была призвана объединить усилие из предотвращения опасных изменений климата и добиться стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на относительно безопасном уровне. Киотский протокол этой Конвенции закрепил количественные обязательства развитых стран и стран с переходной экономикой из ограничения и снижения поступления парниковых газов в атмосферу.

Во-первых, развитые страны и страны с переходной экономикой, в том числе и Украина, должны в целом до 2008 -2012 лет сократить свои выбросы парниковых газов не менее чем на 5% от уровня 1990 года. Во-вторых, учитывая то обстоятельство, которое до 98% всех выбросов СО₇ (или 80% всего эффекта) дает энергетическая область, Киотским протоколом установленная квота объемов выбросов и квоты платежей за выбросы СО₂ для самых больших загрязнителей. Система мирового рынка торговли квотами за выбросы парниковых газов будет содействовать эффективности снижения объемов выбросов парниковых газов. Самыми большими загрязнителями сегодня есть США, Россия, Япония, Германия, Франция, Италия, Великобритания, Канада, Австралия, Украина. Ни одна из этих стран не подписала Киотский протокол. Они не подписывают его из понятных финансовых соображений. Такой отказ можно и должно обосновываться. Ведь и приобретают все большего распространения тезисы о необоснованности парникового эффекта и участие в нем человеческой деятельности.

Энергия, которая необходимая для разных биологических, геофизических и геохимических процессов, достигает Земли в форме солнечного излучения. Основной механизм эмиссии и абсорбции электромагнитного излучения - переходы атома или молекулы между более высокими и более низкими уровнями энергии. Когда молекула получает энергию, ЕЕ электроны переходят на более высокий уровень энергии, в случае потери молекулой энергии, последняя выделяется в виде излучения, длина волны которого определяет температуру поверхности тела, которое излучается. Чем высшая температура тела, которое излучает, тем менее короткая длина волны излучения, которое выделяется.

Температура поверхности Солнца составляет 5800 градусов К і оно излучает в коротковолновой области с максимумом излучения в видимой области при 500 нм. Солнечное излучение отбивается атмосферой ( тучи, частички пыли), поверхностью Земли, однако большей частью абсорбируется поверхностью Земли, которая таким образом нагревается, а частішу полученной энергии снова излучает. Но потому, что Земля имеет значительно меньшую температуру, чем Солнце, она излучает в длинноволновой инфракрасной области (14).

Некоторые газы, в первую очередь водные пары и діоксид углерода абсорбируют это излучение и превращают его снова на тепло. Вследствие этого атмосфера нагревается и излучает соответственно ее температуре часть энергии снова на поверхность Земли. Таким образом, увеличивается температура Земли и более близких к ее поверхности прослоек воздуха. Этот эффект подобный парнику, стеклянная стріха которого удерживает инфракрасное излучение. Если бы наша атмосфера не содержала так называемых парниковых газов (Н₂ ОБ, СО,,, N.,0, О_ч и т.п.), температура поверхности Земли была бы значительно низшей.

Для лучшего понимания парникового эффекта рассмотрим баланс излучения Солнца и его взаимосвязь с температурой поверхности Земли.

Согласно закону Стефана и Больцмана, тело с температурой Т на единицу площади в единицу времени излучает энергию зТ⁴ причем 5 - константа Стефана-Больцмана. Это соотношение действительное только для так называемого « черного тела», что во всій области длины волн целиком абсорбирует излучение и снова отдает. Солнце и поверхность Земли в первом приближении могут рассматриваться как «черные тела».

Солнце излучает с мощностью их до 3,88x1026 W. Из закона Стефана-Больцмана вытекает:

Lc= σtc⁴⁴πrc²

Где: Тс - температура поверхности Солнца (Тс 5800 К); гс -радиус Солнца (г₍. = 7х108м). Интенсивность солнечного излучения на расстоянии а от Солнца составляет их/4 и². Если а - среднее расстояние между Солнцем и Землей (а = 1,5х1011м), тогда интенсивность энергии, которая падает на поверхность Земли лг/ (г_ч -радиус Земли; г = 6,371x106м)

И = Lc/4г_з²( 1-А)/4πа²

где: А - часть энергии, которая отбивается в космос, так называемая «альбедо», ее значение для Земли составляет 0,3.

Если принять, что вся энергия, которая падает на Землю и абсорбируется ею, превращается в тепло и потом снова выделяется в виде излучения поверхностью Земли, то в состоянии равновесия должна выполняться равенство:

σТ_з⁴⁴πг_з² = Sоπг_з²( 1-А)

Тз - равновесная температура излучения Земли; 5в - так называемая солярная константа Земли, которая составляет 1372 W/ м ². Отсюда:

Тз = ( 1-А)Sо/σ4 = 255 К = -18°С

Таким образом, равновесная температура излучения Земли отвечает -18°С. Но это значения температуры значительно ниже действительной средней температуры То поверхности Земли, которая составляет + 15°С. Различие (Тз - То = 33 К) называется естественным парниковым эффектом.

В среднем приблизительно 30% солнечного излучения, которое падает на Землю, снова возвращается в космос, приблизительно 25% абсорбируется атмосферой ( в основном чем счет озона стратосферы, а также туч и водных паров тропосферы), 45% излучение, которые падает, абсорбируется поверхностью Земли, из него приблизительно 60% (29/45) тратится на испарение воды и на конвекцию тепла. Это означает, что нетто-инфракрасное излучение составляет приблизительно 40% (18/45), в шесть раз более значительное брутто-инфракрасное излучение (104/45) объясняется парниковым эффектом.

Вода и озон абсорбируют как в спектральной области излучения Солнца, так и в инфракрасной области излучения Земли. Озон стратосферы абсорбирует в ультрафиолетовой области излучений Солнца, а озон тропосферы абсорбирует в Іч-Области излучений Земли. Пары воды поглощают преимущественно в Іч-Области, а діоксид углерода практически только в Іч-Области, которые указывает на то, что СО₂ есть типичным парниковым газом.

Содержимое парниковых газов в атмосфере значительно менялся на протяжении истории Земли, но оставался практически постоянным на протяжении последнего тысячелетия. Однако концентрация СО₉, СН₍, N,0, а также радиологического озона в последнем веку постепенно увеличивается благодаря деятельности человека.

Дополнительно к перечисленным газам человек выбрасывает в атмосферу синтетические вещества, как вот хлор- и фторовмісні углеводороде (ХФСН), которые есть, благодаря своим оптическим свойствам, потенциальными парниковыми газами. Хотя эмиссии ХФСН через разрушающее действие на стратосферную озоновую прослойку усилиями мировой общественности значительно уменьшились, их содержимое в атмосфере еще приблизительно века будет значительным, что объясняется их значительной стойкостью (срок жизни). Озон является тепличным газом, поэтому такие вещества, как оксиди азота (NO_х) и улетучивающие органические вещества (ЛОВ), что содействуют синтезу озона в тропосфере, можно рассматривать как такие, что косвенно влияют на парниковый эффект.

Содержимое парниковых газов за последние 160 тысяч лет определяют за воздушными пузырьками в «естественных архивах» Гренландии и Антарктики. По этим данным вытекает, что температура Земли и концентрация парниковых газов тесно взаимозависимые: низкие концентрации характерные для ледниковых периодов, более высокие - для промежуточных времен. Содержимое СО₂ в атмосфере до 1850 года составлял в среднем 280 ррт, из 1958 (315 ррт) по 1991 год (354 ррт) он увеличился почти на 25% в сравнении с доіндустріальним временами. В наше время концентрация СО₂ в атмосфере превысила границы, которые она не переступала минимум за последние 160 тысяч лет.

Увеличение содержимого парниковых газов, благодаря жизнедеятельности человечества, усиливает естественный парниковый эффект, увеличивая количество удерживаемого на поверхности Земли тепла, которое ведет к нагреванию атмосферы. Анализы показывают, что глобальная средняя температура за последний век увеличилась от 0,3 до 0,6°С.

Антропогенными парниковыми газами есть діоксид углерода, метан, оксид азота NО, ХФСН, а также озон тропосферы. Перечисленные газы возникают, в основном, за счет горения носителей энергии (уголь, нефть, газ); другими источниками их эмиссии есть производство и потребление ХФСН, а также сельское хозяйство.

Пары воды характеризуются незначительным сроком пребывания в атмосфере (срок жизни), поэтому антропогенные эмиссии не приводят к выраженному изменению концентрации паров, однако полеты самолетов образовывают в нижних прослойках стратосферы так называемые «цирус»- тучи (кристаллы льда), которые практически не абсорбируют солнечное излучение, но эффективно абсорбируют тепловое излучение Земли, усиливая таким образом парниковый эффект.

Абсорбция инфракрасного излучения Земли пропорциональная концентрации тепличных газов в атмосфере. В связи с инерцией системы климата дополнительная аккумуляция тепла не приводит к немедленному повышению температуры. Соответствующее замедление называется «radiative forcing». «Radiative forcing» разных газов зависит от их оптических свойств и срока пребывания в атмосфере. Принимая во внимание эти два фактора, можно определить, в какой мере данный газ влияет на климат. Соответствующий коэффициент называется глобальным тепловым потенциалом (ГТП). ГТП діоксида углерода равняется 1. Молекула метана в 25 раз, молекула N,0 в 250, а молекула ХФСН в 1000 - 10000 раз более значительнее влияет на климат, чем молекула діоксида углерода.

Метан с помощью Вон-Радикалов, при образовании озона или в реакции с озоном, превращается соответственно на СО или на СО₂. Хлор- и фторвмісні углеводороде скапливаются в стратосфере, со временем разрушаются там под влиянием фотолиза, который приводит к разрушению озоновой прослойки. Озон образовывается с помощью таких веществ как NО_х и ЛОС и прежде всего из СО и СН₄.

Таблица 1.6.2 Относительное влияние парниковых газов на парниковый эффект

	СО2	СН4	N20	ХФС Н	NОx	ЛОС	СО
Эмиссии, Мт	27750	350	7	1	ПО	120	990
Относительный взнос, исходя из ГТП, %	72,5	10	12,5	5	-	-	-

Таким образом, учитывая прогнозы разных институтов на будущее, можно сделать некоторые выводы. При экстраполяции сегодняшних тенденций эмиссии всех тепличных газов ( за исключением ХФСН) будут дальше возрастать, эмиссия СО,, например, в 2100 году увеличится до 170%. Разрабатываются также сценарии, которые учитывают меры всех стран по стабилизации и уменьшению СО 2-_{эмиссий} и эмиссий других газов. Однако, практически все сценарии прогнозируют увеличение температуры от 1,5 до 4,5"С до конца этот века, то есть приблизительно на 0,3°С за год.

Хотя разные модели не могут учитывать весь комплекс региональных и локальных изменений, они все же таки показывают, что потепление будет распределяться неравномерно по всей планете: для стран северных широт оно может быть кое-что высшим, чем в среднем.

Климат определяется комплексом взаимодействий между атмосферой, морем и сушей. Система атмосфера-океан более стабильная, однако может легко меняться под влиянием значительного нарушения. Атмосферные процессы происходят нелинейно, поэтому каждое изменение климата, которая обусловлена потеплениям, может послужить причиной непредвиденные следствий. Через эффект обратной связи оказывается тенденция к усилению нарушений и установления нового состояния равновесия (например, ледниковый и теплый периоды). Процессы, которые происходят в ледниках и океанах могут вызвать внезапные колебания теплых и холодных периодов.

Можно прогнозировать увеличение уровня Мирового океана ( от С до 10 см за десятилетия), затопление населенных приморских равнин, явления глобальных катаклизмов ( засухи, шторма, ураганы), распространение пустынь и одновременно увеличение количества осадков, сдвиг теплых климатических зон по направлению к полюсам и др. Увеличение уровня океана, например, на 20-50 см до 2050 года является угрозой для низко расположенных островов и зон пустынь (Индия, Китай, Египет, Нидерланды и др.), где живет треть населения планеты. Для некоторых стран затраты на борьбу с пустынями составят возле 20% брутто-социального продукта.

Уменьшение осадков во многих регионах вызовет дефицит продуктов питания. В средних широтах северного полушария, наоборот, урожайность возрастет за счет увеличения периодов вегетации. Однако, в этих широтах лежит подзолистый, лесной и тундровый грунт, а не плодородный чернозем. Сдвиг зон вегетации большинства лесных экологических типов на сотне километров в направлении полюсов приведет к резкому уменьшению разнообразия видов растительности. В сухих климатических зонах возникнут проблемы с водоснабжением, проблема особенно остро станет перед странами, которые развиваются. Тропическая зона станет еще более непригодной для обитания, прогнозируется распространения тропических заболеваний.

Черное море уничтожает сооружения на березе аномальными волнами («цунами») один раз на несколько тысяч лет. Дожди в Карпатах образовывают потоки воды, которые несут песок и камень. Практически все Полесье периодически затапливает, периодически происходят потопы во время штормов Азовского моря. Наиболее низкие температуры в Украине (-30"С) приводят к вымерзанию озимих и садов, разрушают линии связи. Снеговые метели наиболее интенсивные в Крыму.

Вот такой приблизительно прогноз не настраивает нас на безоблачное существование, а наоборот, должен мобилизовать все сообщество к активным действиям, чтобы предотвратить чрезмерное влияние антропогенной деятельности на смену климата на Земле.

Наша страна, как часть мирового сообщества, обеспокоенная дальнейшим обострением экологических проблем, в том числе изменением климата под влиянием людской деятельности. Сегодня нужны реальные действия из смягчения антропогенного влияния на смену климата. Рядом с проблемами сугубо технического характера возникают экономические вопросы, самые важные среди которых финансирования экологических программ. В этой плоскости возникает также ряд вопросов относительно участия нашей страны в мировых форумах и произведенных ими механизмах решения спешных экологических проблем.

Итак, Киотский протокол возник из-за того, что существующие в мире схемы производства ведут к экологическому опустелення, истощение ресурсов, массового исчезновения биологических видов. Экономическое развитие и блага, который он приносит, доступные не всем, - бездна между богатыми и бедными с каждым годом увеличивается.

Особая проблема - это энергетическая структура мира. К середины XXI столетие на Земле из топливных ресурсов останется лишь угли. Если использовать топливные ресурсы в темпах настоящего, атмосфера за химическим составом может вернуться в первозданное состояние и будет пригодной для жизни.

Таким образом, для сбалансированности газового состава мощность земной энергетики не должна преобладать мощности биосферы из поглощения парникового газа.

Киотский протокол, учитывая эти обстоятельства, предлагает простую формулу: каждая страна должна сжигать столько кислорода, сколько вырабатывает ее территория. Если она сжигает чужой кислород, то должна платить странам, которые не используют свой кислород. Сегодня Киотский протокол не поддерживают перенаселенные и промышленно развитые страны - там считают, что положение Протокола приведут к повышению цен на энергию и снижение жизненного уровня населения. Большинство стран обеспокоенные дисбалансом в использовании природных ресурсов: почти половину их потребляют развитые страны. Однако же при этом они и должны больше платить за выбросы парниковых газов, за сожженный кислород. И платить должны странам, которые его почти не сжигают, а наоборот, благодаря растениеводческим ресурсам, поставляют в большом количестве в атмосферу. Занимался ли кто-то такими подсчетами? Ведь таким образом надо было признать, что бедные, не перенаселенные страны предоставляют миру определенное количество экологических услуг, которые имеют определенную стоимость. Итак, эти услуги могут быть зачислены бедным странам как уплата их внешнего долга или как компенсация за передачу современных экологически безопасных технологий от развитых стран.

Украина - не богатая и не перенаселенная страна, но ее развитие, даже существования, зависят от функционирования производств, которые связаны с загрязнением окружающего среды, ухудшением здоровья работающих, повышенной аварийностью. Сегодня наше государство не вырабатывает, даже не хочет вырабатывать складне технические изделия, а получает их из развитых стран по повышенным ценам. В то же время, Украина, не имея средств на екологізацію своей трудной промышленности, все больше втягивается в круг неоколониальных, экологически загрязненных стран. Территория Украины может стать полигоном для экспорта загрязнения из стран Запада, механизм которого давно и хорошо отработан. Имея свои собственные ресурсные, демографические, энергетические, социальные проблемы, имея Чернобыль, мы принимаем на себя и западные экологические проблемы.

Украина должна идти собственным путем ресурсно- экологического обновления производств за счет специализированной инновационной инфраструктуры, радикальной екологізації производства с применением новейших технологий. Относительно финансирования этих мер, то первое, что надо сделать - это преодолеть негативное влияние налогов на сложные производства, они должны содействовать привлечению к производству собственных, а не зарубежных инвесторов, ведь последних не беспокоит наша экологическая ситуация. А существующие сегодня налоги на НДС и на прибыль принуждают наших инвесторов вывозить капитал в офшорные зоны. Украинский капитал должен вкладываться в украинскую экономику. Это главнейшее условие постоянное экономико-экологического развития Украины. Таким путем шли в послевоенные года Германия и Япония. Именно таким образом достигла успеха политика Рузвельта в США в годы Большой депрессии.