Причины и последствия парникового эффекта

Возникновение парникового  эффекта: степень ответственности  промышленно развитых и развивающихся  стран

Очевидная причина возникновения  парникового эффекта – использование  традиционных энергоносителей промышленность и автомобилистами. К менее очевидным  причинам можно отнести сведение лесов, переработку отходов, и добычу угля. Значительно способствуют увеличению парникового эффекта хлорфторуглеводороды, углекислый газ (СО₂), метан (СН₄) , окислы серы и азота.

Однако наибольшую роль в  этом процессе играет всё же углекислый газ, поскольку у него относительно длинный жизненный цикл в атмосфере  и во всех странах его объёмы непрестанно  возрастают. Источники СО₂ могут быть разделены на две основных категории: промышленное производство и прочие, составляющие соответственно 77% и 23% общего объема его выброса в атмосферу. На всю группу развивающихся стран  (примерно 3/4 мировой численности населения) приходится менее 1/3 общего объёма промышленных выбросов СО₂. Если исключить их этой группы стран Китай, то этот показатель снизится примерно до 1/5. Поскольку в более богатых странах уровень доходов, а соответственно и потребления выше, то и объём вредных выбросов в атмосферу на душу населения значительно выше. Например, уровень выбросов на душу населения в США более чем в 2 раза превышает среднеевропейский, в 19 раз – среднеафриканский и в 25 раз – соответствующий показатель для Индии. Однако в последнее время в развитых странах (в частности, в США) намечается тенденция постепенного сворачивания вредного для окружающей среды и населения производства и перенесения его в менее развитые страны. Таким образом, правительство США заботится о сохранении благоприятной экологической обстановки в своей стране, сохраняя при этом своё экономическое благополучие.

Хотя доля стран третьего мира в промышленных выбросах СО₂ относительно небольшая, на них приходится практически весь объём его прочих выбросов в атмосферу. Основная причина этого – применение техники выжигания лесов для вовлечения в сельскохозяйственный оборот новых земель. Показатель объёма выбросов в атмосферу по этой статье рассчитывается следующим образом: предполагается, что весь объём СО₂, содержащийся в растениях, при сжигании попадает в атмосферу. Подсчитано, что на огневое сведение лесов приходится 25% всех выбросов в атмосферу Наверное, ещё большее значение имеет тот факт, что в процессе сведения лесов уничтожается источник атмосферного кислорода. Влажные тропические леса представляют собой важный механизм самовосстановления экосистемы, поскольку деревья поглощают углекислый газ и выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Уничтожение тропических лесов уменьшает способность окружающей среды поглощать углекислый газ. Таким образом, именно особенности процесса обработки земли в развивающихся странах определяют столь значительный вклад последних в повышение парникового эффекта.

В природной биосфере содержание углекислого газа в воздухе поддерживалось на одном уровне, так как его  поступление равнялось удалению. Этот процесс обуславливался круговоротом углерода, в ходе которого количество углекислого газа, извлекаемого из атмосферы фотосинтезирующими растениями, компенсируется за счёт дыхания и горения. В настоящее время люди активно нарушают это равновесие, сводя леса и используя ископаемое топливо. Сжигание каждого его фунта (угля, нефтепродуктов и природного газа) приводит к образованию примерно трёх фунтов, или 2 м³, углекислого газа (вес утраивается, поскольку каждый атом углерода топлива в процессе горения и превращения в углекислый газ присоединяет два атома кислорода). Химическая формула горения углерода выглядит следующим образом:

С+О₂=СО₂

Каждый год сжигается  около 2 млрд. т ископаемого топлива, значит, в атмосферу попадает почти 5,5 млрд. т углекислого газа. Ещё  приблизительно 1,7 млрд. т его поступает  туда же за счёт сведения и выжигания  тропических лесов и окисления  органического вещества почвы (гумуса). В связи с этим люди пытаются как  можно больше сократить выбросы  вредных газов в атмосферу, пытаются найти новые пути реализации своих  традиционных потребностей. Интересным примером этому может послужить  разработка новых, экологически безвредных кондиционеров. Кондиционеры играют немалую  роль в возникновении «парникового эффекта». Их использование приводит к увеличению автомобильных выбросов. К этому необходимо добавить незначительную, но неизбежную потерю охлаждающего вещества, которое улетучивается под высоким  давлением, например, через уплотнители  в месте соединения шлангов. Это  охлаждающее вещество имеет такое  же воздействие на климат, как и  остальные способствующие возникновению  «парникового эффекта» газы. Поэтому  исследователи занялись поиском  экологически чистого охлаждающего вещества. Углеводороды, обладающие хорошими охлаждающими качествами, нельзя использовать из-за высокой воспламеняемости. Поэтому  выбор ученых пал на двуокись углерода. СО₂является естественным составляющим воздуха. Необходимый для кондиционера СО₂ появляется как побочный продукт многих промышленных производств. Кроме того, для естественного СО₂ не придется создавать целую инфраструктуру по обслуживанию и переработке. СО₂ не требует больших затрат и его можно найти по всему миру.

Двуокись углерода использовали в качестве охлаждающего вещества уже  в прошлом столетии при ловле  рыбы. В 30-х годах на смену СО₂ пришли синтетические и вредные для окружающей среды вещества. Они сделали возможным использование под высоким давлением более простой техники. Учёные разрабатывают компоненты совершенно новой охладительной системы с использованием СО₂. В эту систему входят компрессор, охладитель газа, расширитель, испаритель, коллектор и внутренний теплообменник. Необходимое для СО₂ высокое давление с учетом более совершенных, чем раньше, материалов не представляет большой опасности. Несмотря на их повышенную устойчивость к давлению, новые компоненты по своим габаритам и весу сравнимы с обычными установками. Испытания нового автомобильного кондиционера показывают, что использование двуокиси углерода в качестве охлаждающего вещества позволяет на треть снизить выброс парниковых газов.[6]

Некоторые парниковые газы и их влияние

Значительно усугубляют проблему некоторые другие (кроме CO₂) газы, выбрасываемые человеком в атмосферу, особенно метан, хлорфторуглероды и оксиды азота, поглощающие инфракрасное излучение в 50-100 раз сильнее, чем углекислый газ. Следовательно, хотя их содержание в воздухе значительно ниже, они влияют на температурный режим планеты почти так же, как он.

Если допустить сохранение существующих тенденций, к 2050 году концентрация углекислого газа в атмосфере  удвоится. В свою очередь компьютерные модели различных климатических  параметров показывают, что это повлечёт за собой повсеместное потепление на 1,5-4,5°С. Вероятно, оно будет более  выражено в полярных районах (до 10°С) и менее – в экваториальных (1-2°С). Значительные разногласия возникают  по вопросу о том, как такое  потепление будет влиять на облачность и как это отразится на распределении солнечной радиации. Однако саму возможность потепления никто не отрицает.

На первый взгляд оно кажется  умеренным. Однако рост окружающей температуры  на 4,5-5,5°С выше её пиков, достигающих 38°С, может оказаться катастрофическим. Более того, такое потепление вызовет таяние горных ледников и полярных льдов, достаточное для поднятия уровня мирового океана на 1,5 метра. Это приведёт к затоплению и гораздо большей подверженности обширных прибрежных зон влиянию штормов, то есть заставит людей покинуть обжитые места. И мигрировать в глубь суши.

Влияние глобального потепления на осадки и сельское хозяйство, вероятно, окажется ещё более сильным. Различная  температура на полюсах и экваторе – основная движущая сила циркуляции атмосферы. Более сильное потепление на полюсах приведёт к её ослаблению. Это изменит картину циркуляции атмосферы, а значит, и распределение  осадков. В некоторых случаях  их количество, вероятно, увеличится, а  в других уменьшится.

Для Северной Африки, которая  в настоящее время представляет собой пустыню, увеличение осадков, по-видимому, будет полезно. Однако США И Канада при этом останутся  в проигрыше. Центральная часть  Северной Америки – один из важнейших  сельскохозяйственных регионов мира, производящий огромное количество избыточной кукурузы и пшеницы. Осадки здесь, уже  сейчас минимальные для этих культур, вероятно, сильно сократятся. По словам бывшего директора Национального центра атмосферных исследований доктора Уолтера Робертса, «Пыльный котёл в США в середине 1930-х годов был величайшим климатическим бедствием в истории нашего государства. Однако он может показаться детской забавой по сравнению с Пыльным котлом 2040-х годов. В результате потепления естественные осадки могут сократиться на 40%, летом станет жарче, испарение с поверхности земли увеличится, почвы пересохнут, а ветра поднимут их к небесам.»

Орошением вряд ли удастся  исправить ситуацию. Вспомним, что  уровень грунтовых вод уже  понижается на большей части этого  региона из-за их расходования на нужды сельского хозяйства. К 2040 году, а может быть и раньше, их запасы будут истощены. Возможно, сельское хозяйство сможет приспособиться к иному климату, например, за счёт простого смещения посевных площадей на север. Однако основная трудность – в незнании, чего следует ожидать. Фермеры уже теряют в среднем один урожай из пяти из-за неблагоприятной погоды. При климатических сдвигах её капризы станут ещё более ощутимы, и потери в связи с этим урожая возрастут катастрофически. Достаточно вспомнить, что потеря 40% урожая кукурузы в 1988 году в США – результат засухи.

III. Нарушение озонового экрана

Природа и значение озонового экрана

Ещё одним вредным последствием выброса парниковых газов в атмосферу  является разрушение ими озонового  слоя – своеобразного щита от «жёстких»  солнечных лучей. Дело в том, что  наряду с видимым светом Солнце излучает ультрафиолетовые волны. Ультрафиолетовое излучение похоже на световое, но длина его волн несколько короче, чем у фиолетовых волн, самых коротковолновых из воспринимаемых глазом человека. Хотя ультрафиолетовые лучи невидимы, они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК. Именно это происходит, когда вы загораете. Если бы всё ультрафиолетовое излучение, попадающее на верхние слои атмосферы, достигало поверхности Земли, то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь; все растения и животные просто «зажарились» бы. Даже небольшая, доступная нам часть этого количества (менее 1%) вызывает загар и ежегодно 200 000-600 000 случаев рака кожи в США.

Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового  излучения, так как большая его  часть (свыше 99%) поглощается слоем  озона в стратосфере на высоте около 25 километров от поверхности  земли. Этот слой обычно называют озоновым экраном. Необходимость его сохранения не требует доказательств. Однако некоторые антропогенные вещества, в частности парниковые газы, его разрушают.

Формирование  и разрушение озонового слоя

Интересно, что озон в  стратосфере – это продукт  воздействия самого ультрафиолета (УФ) на молекулы кислорода (О₂). В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона (О₃). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы О, реагируя с молекулами озона, дают две молекулы О₂. Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями. Однако в 1970-е годы учёные предположили, что свободные атомы хлора катализируют процесс разделения озона. А люди ежегодно пополняют состав атмосферы свободным хлором и прочими вредными веществами. Причём относительно небольшое их количество может наносить значительный ущерб озоновому экрану, причём это влияние буде продолжаться неопределённо долго, так как атомы хлора, например, покидают стратосферу очень медленно.

Источники атомов хлора, поступающих в атмосферу

Большая часть хлора, используемая на земле, например, для очистки воды, представлена его растворимыми в  воде соединениями ионами. Следовательно, ни вымываются из атмосферы осадками задолго до того, как попасть в  стратосферу. Хлорфторуглероды (ХФУ), атомы водорода очень летучи и нерасворимы в воде. Следовательно, они не вымываются из атмосферы и, продолжая распространяться в ней, достигают стратосферы. Там они могут разлагаться, высвобождая атомарный хлор, который собственно и разрушает озон. Таким образом, ХФУ наносят ущерб, выступая в роли переносчиков атомов хлора в стратосферу.[7]

Хлорфторуглероды относительно инертны химически, негорючи и ядовиты. Более того, будучи газами при комнатной температуре, они ожигаются при небольшом давлении в выделением тепла, а испаряясь, вновь его поглощают и охлаждаются. Эти свойства позволили применять их в следующих целях.

\  Хлорфторуглероды используются практически во всех холодильниках, кондиционерах воздуха и тепловых насосах как хлорагенты. Поскольку эти приспособления рано или поздно ломаются и выбрасываются, содержащиеся в них ХФУ обычно попадают в атмосферу.

\  Вторая важнейшая область их применения – производство пористых пластмасс. ХФУ подмешивают в жидкие пластмассы при повышенном давлении (они растворимы в органических веществах). Когда давление понижают, они вспенивают пластмассу, как углекислый газ вспенивает содовую воду. И при этом улетучиваются в атмосферу.

\  Третья основная область их применения – электронная промышленность, а именно очистка компьютерных микросхем, которая должна быть весьма тщательной. И опять же, хлорфторуглероды попадают в атмосферу. Наконец, в большинстве стран, кроме США их, до сих пор используют как носители в аэрозольных баллончиках, которые распыляют их в воздухе.

«Озоновые дыры»  и их влияние

Вскоре после появления  в начале 1970-х годов гипотезы о  связи ХФУ с озоном, в некоторых  развитых странах запретили их использование  в аэрозольных баллончиках, но подавляющее  большинство стран их примеру  не последовало. Не отказались и от использования ХФУ в других целях. Следовательно, выпуск и использование  ХФУ во всём мире продолжали расти, а так как последующие анализы  показали относительно небольшое уменьшение содержания озона в стратосфере (1-2%), вплоть до 1985 года на это обращалось мало внимания. Однако осенью 1985 года спутниковые  наблюдения обнаружили «дыру» в озоновом экране над Южным полюсом. На территории, равной по площади США, содержание озона  сократилось на 50 % (!). ранее предполагалось, что потери озона (сдвиг равновесия) будут происходить медленно, постепенно и равномерно над всей Землёй. Дыра появилась неожиданно, и возникни она не над полюсом, а в другом месте, воздействие УФ привело бы к катастрофе.