Изменение глобального климата - роль антропогенного воздействия

Прямые антропогенные  эмиссии озона в атмосферу  практически отсутствуют. В атмосферу  поступают его химические предшественники  – оксиды азота и ЛОС – летучие  органические соединения. Их антропогенные  эмиссии ограничиваются условиями широкого международного регионального соглашения. Была разработана и заключена в 1979 году «Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния». В неё вошли европейские страны, Турция, США, Канада. В рамках этой конвенции был заключён ряд протоколов о мерах по ограничению выбросов определённых веществ в атмосферу. В 1999 году всесторонний «Протокол о борьбе с подкислением, эвтрофикацией и приземным озоном» был принят странами-участницами Конвенции. Большинству из стран-участниц были установлены максимальные значения по ежегодным эмиссиям оксидов серы и азота [1].     

Антропогенные эмиссии  метана и закиси азота пока международными соглашениями не регулируются.

Ниже приводятся источники  и стоки парниковых газов.

Источники диоксида углерода:

1. сжигание ископаемого топлива (газообразного, жидкого и твёрдого);
2. производство цемента, в ходе которого при обжиге сырья выделяется углекислый газ;
3. сжигание попутного и технологического газа в факелах;
4. изменение типа и способов землепользования;
5. антропогенные лесные пожары.

Среднегодовое значение суммарной эмиссии диоксида углерода составляет 31000 Мт * год^-1 .

Источники поступления  метана в атмосферу:

1. добыча, переработка и транспортировка нефти и газа;
2. мусорные свалки;
3. переработка мусора;
4. процессы ферментации пищи в организме жвачных животных;
5. заболоченные территории;
6. термиты;
7. океан;
8. скопление гидратированных форм метана.

Общая глобальная эмиссия  метана 610 Мт * год^-1, сток 580 Мт * год^-1, а ежегодное накопление метана атмосферой равно 20 Мт * год^-1.

Источники поступления  закиси азота:

1. океан;
2. окисление аммиака в атмосфере;
3. влажные леса;
4. сухие саванны;
5. леса;
6. луга;
7. процессы нитрификации и денитрификации, происходящие на с/х. землях;
8. сжигание биомассы;
9. промышленные источники;
10. пастбищное скотоводство.

Общий объём глобальной эмиссии диоксида азота составляет 27, 8 Мт * год-¹   [1].

На рис. 3. 1 графически представлены глобальные годовые эмиссии  основных парниковых газов в атмосферу (рис. 3. 1).

Рис. 3. 1. Глобальные годовые эмиссии  углекислого газа, метана и диоксида азота [7]

 

Парниковый эффект –  повышение температуры нижних слоёв  атмосферы по сравнению с эффективной  температурой, т. е. эффективной температурой теплового излучения планеты, которое  наблюдается из космоса.

Механизм парникового и его роль в биосферных процессах.

Последние полвека наблюдается  тенденция усиления парникового  эффекта, имеющая общепланетарный  характер. По мнению многих ученых -климатологов и экологов, с этим явлением связаны  глобальные климатические изменения антропогенного характера. Это одна из наиболее серьезных экологических угроз, ожидающих человечество в XXI столетии. Основным источником жизни и всех природных процессов на Земле является лучистая энергия Солнца. Энергия солнечной радиации всех длин волн, поступающая на нашу планету в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам, называется солнечной постоянной и составляет 1,4 кДж/см². Это лишь одна двухмиллиардная доля энергии, излучаемой поверхностью Солнца. Из общего количества солнечной энергии, поступающей на Землю, атмосфера поглощает -20%. Примерно 34% энергии, проникающей вглубь атмосферы и доходящей до поверхности Земли, отражается облаками атмосферы, аэрозолями, в ней находящимися, и самой поверхностью Земли. Таким образом, до земной поверхности доходит -46% солнечной энергии и поглощается ею. В свою очередь поверхность суши и воды излучает длинноволновую инфракрасную (тепловую) радиацию, которая частично уходит в космос, а частично остается в атмосфере, задерживаясь входящими в ее состав газами и нагревая приземные слои воздуха. Эта изоляция Земли от космического пространства создала благоприятные условия для развития живых организмов. Природное явление, суть которого заключается в том, что прозрачная для солнечной радиации атмосфера задерживает идущее от земной поверхности тепловое излучение (подобно пленке над парником), получило образное название парниковый эффект. Газы, задерживающие тепловое излучение и препятствующие оттоку тепла в космическое пространство, называют парниковыми газами. Благодаря парниковому эффекту среднегодовая температура у поверхности Земли в последнее тысячелетие составляет примерно 15 °С.  Без парникового эффекта эта температура опустилась бы до -18 °С и существование жизни на Земле стало бы невозможным. Основным парниковым газом атмосферы является водяной пар, задерживающий 60% теплового излучения Земли. Содержание водяного пара в атмосфере определяется планетарным круговоротом воды и (при сильных широтных и высотных колебаниях) практически постоянно. Примерно 40% теплового излучения Земли задерживается другими парниковыми газами, в том числе более 20% -углекислым газом. Основные природные источники СО₂ в атмосфере - извержения вулканов и естественные лесные пожары. На заре геобиохимической эволюции Земли углекислый газ поступал в Мировой океан через подводные вулканы, насыщал его и выделялся в атмосферу. До сих пор нет точных оценок количества СО₂ в атмосфере на ранних этапах ее развития. По результатам анализа базальтовых пород подводных хребтов в Тихом и Атлантическом океанах американский геохимик Д.Марэ сделал вывод, что содержание СО₂ в атмосфере в первый миллиард лет ее существования было в тысячу раз больше, чем в настоящее время, - около 39%. Тогда температура воздуха в приземном слое достигала почти 100 °С, а температура воды в Мировом океане приближалась к точке кипения ("сверхпарниковый" эффект). С появлением фотосинтезирующих организмов и химических процессов связывания углекислого газа стал действовать мощный механизм изъятия СО₂ из атмосферы и океана в осадочные породы. Парниковый эффект стал постепенно уменьшаться, пока не наступило то равновесие в биосфере, которое имело место до начала эпохи индустриализации и которому соответствует минимальное содержание углекислого газа в атмосфере - 0,03%. В отсутствие антропогенных выбросов углеродный цикл наземной и водной биоты, гидросферы, литосферы и атмосферы находился в равновесии. Поступление в атмосферу диоксида углерода за счет вулканической деятельности оценивается в 175 млн. т. в год. Осаждение в виде карбонатов связывает около 100 млн. т. Велик океанический резерв углерода - он в 80 раз превышает атмосферный. Втрое больше, чем в атмосфере, углерода концентрируется в биоте, причем с увеличением СО₂ возрастает продуктивность наземной растительности [6].

Усиление парникового  эффекта в индустриальную эпоху  связано в первую очередь с  возрастанием содержания в атмосфере  техногенного диоксида углерода за счет сжигания ископаемых видов органического  топлива предприятиями энергетики, металлургическими заводами, автомобильными двигателями. Количество техногенных выбросов СО₂ в атмосферу значительно возросло во второй половине XX в. Основной причиной этого стала колоссальная зависимость мировой экономики от ископаемых видов топлива. Индустриализация, урбанизация и стремительные темпы роста населения планеты обусловили увеличение мирового спроса на электроэнергию, удовлетворяющегося главным образом за счет сжигания горючих ископаемых. Рост потребления энергии в настоящее время составляет около 5% в год, что при росте населения чуть менее 2% в год означает более чем двукратное увеличение душевого потребления. В 2000 г. мир израсходовал более 16- 109 кВт – ч энергии, четверть этого количества пришлась на США и столько же - на развивающиеся страны вместе с Китаем (доля России - около 6%). В результате сжигания органического топлива только на тепловых электростанциях (ТЭС), не считая работу автомобильных двигателей и металлургических предприятий, в атмосферу ежегодно поступает более 5 млрд. т углекислого газа (25% техногенных выбросов диоксида углерода в атмосферу дают США и страны Евросоюза, 11% - Китай, 9% - Россия). Дополнительно 1-2 млрд. т СО₂ поступает в атмосферу за счет сжигания лесов, главным образом тропических. С начала XX в., по оценкам экспертов ООН, увеличение выбросов СО₂ составляло от 0,5 до 5% в год. В результате за последние сто лет только за счет сжигания топлива в атмосферу поступило 400 млрд. т углекислого газа. Сведение для этих же целей огромных лесных массивов, а также лесные и степные пожары, вызванные человеком, дополнительно увеличивают содержание СО₂ в атмосфере - непосредственно, а также за счет уменьшения его поглощения в процессе фотосинтеза вследствие уничтожения растительности. Сейчас атмосфера содержит на 25% больше углекислого газа, чем было накоплено в ней за последние 160 тыс. лет. Другими парниковыми газами, появление которых в атмосфере в значительном количестве обусловлено хозяйственной деятельностью, являются: метан, поступающий с рисовых полей (около 110 млн. т), в результате утечек природного газа при его добыче и попутного газа при нефтедобыче, на угольных шахтах (до 50 млн. т ежегодно), а также жизнедеятельности растущего поголовья домашнего скота (74% метана дает крупный рогатый скот, 13% - овцы и козы); доля его влияния на усиление парникового эффекта составляет 15%; хлорфторуглероды - утечка хладагентов из холодильных установок и кондиционеров, пропеллентов из аэрозольных упаковок, использование пенных компонентов в строительной индустрии и в средствах пожаротушения и т. д.; их доля влияния - 12-24%; оксиды азота N0_X - сжигание топлива в реактивных самолетных и ракетных двигателях и биомассы, применение азотных удобрений в сельском хозяйстве; доля влияния 5-6%; озон (как вторичный загрязнитель), появление которого связано со значительным ростом мирового автопарка; доля влияния - до 8%. В последние годы отмечается постепенное возрастание содержания в атмосфере этих парниковых газов: метана на 1% в год, оксидов азота на 0,3% в год. До 1990-х гг. происходили значительные поступления различных видов хлорфторуглеродов в атмосферу - до 1,4 млн. т. в год [6].

В 1988 г. в Торонто состоялась первая Международная конференция  по проблеме антропогенного изменения  климата. Ученые пришли к выводу, что  последствия усиления парникового  эффекта из-за роста содержания в атмосфере углекислого газа уступают лишь последствиям мировой ядерной войны. Тогда же при Организации Объединенных Наций была образована Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата - МГЭИК (IPCC-Intergovernmental Panel on Climate Change), которая занялась всесторонним изучением влияния повышения приземной температуры из-за усиления парникового эффекта на климат, экосистему Мирового океана, биосферу в целом, в том числе на жизнь и здоровье населения планеты (рис. 3. 2) [6].

Рис. 3. 2. Роль парниковых газов в  парниковом эффекте [7]

 

3. 2. Аэрозольное  загрязнение атмосферы и климат

 

Аэрозоли - это твердые  или жидкие частицы,  находящиеся  во взвешенном состоянии в воздухе.  Твердые компоненты аэрозолей  в ряде случаев особенно опасны для организмов,  а у людей вызывают специфические заболевания.  В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная  часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с  водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб.км. пылевидных частиц искусственного  происхождения.  Большое  количество пылевых частиц образуется также в ходе  производственной деятельности людей.

Основными источниками  искусственных аэрозольных загрязнений  воздуха являются ТЭС,  которые  потребляют  уголь высокой зольности, обогатительные фабрики,  металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы.  Аэрозольные частицы от этих источников  отличаются большим разнообразием химического   состава. Чаще  всего в их составе обнаруживаются соединения   кремния, кальция и углерода,  реже - оксиды металлов: железа,   магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена,  мышьяка,  бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена,        а также асбест.

Еще большее разнообразие свойственно  органической пыли,  включающей алифатические и  ароматические  углеводороды, соли кислот.  Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов,  в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

Постоянными источниками  аэрозольного загрязнения  являются  промышленные отвалы  -  искусственные  насыпи из переотложенного  материала, преимущественно вскрышных  пород,  образуемых  при   добыче полезных  ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности,  ТЭС.

Источником пыли и  ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых  веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. м³. условного оксида углерода и более 150 т. пыли.

Производство  цемента  и   других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.  Основные технологические  процессы этих производств  -  измельчение и химическая обработка полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

К атмосферным загрязнителям  относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные,  включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации,  взаимодействуя  с  другими  атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией.  В  результате этих реакций образуются перекисные соединения,  свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха.

Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над  источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует  воздушным  массам и задерживает перенос  примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования  ранее  неизвестного в природе фотохимического тумана [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 4. ГЛОБАЛЬНЫЕ И РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ  КЛИММАТА

 

4. 1. Изменение  глобальной температуры

 

Одним из наиболее убедительных аргументов в отношении изменения климата  является тот факт, что столь большое  количество независимо проведенных  наблюдений подтверждает, что за последний век общее повышение температуры поверхности составило 0, 6^°С. Со времени промышленной революции ускоренными темпами продолжалось увеличение содержания в атмосфере двуокиси углерода.

Возрастают как максимальные, так  и минимальные среднесуточные температуры, однако минимальные температуры возрастают более быстрыми темпами по сравнению с максимальными. Измерения температуры на поверхности Земли, а также измерения при помощи радиозондов и спутников показывают, что тропосфера и поверхность Земли стали более теплыми и что происходит охлаждение стратосферы.