Парниковый эффект: что надо знать о влиянии парниковых газов на Землю

Что такое парниковый эффект?

Парниковый эффект — это естественное явление, которое повышает температуру на нашей планете для комфортного существования.

Как он возникает? На нашу планету поступает солнечная радиация, которая нагревает поверхность. Излучение от солнца коротковолновое, поэтому парниковые газы, которые находятся вокруг Земли, свободно пропускают его. Какую-то незначительную часть солнечного света могут отразить обратно аэрозоли, которые находятся вместе с парниковыми газами в атмосфере Земли.

В свою очередь, когда планета нагревается, она отдает тепловую радиацию — инфракрасное излучение (длинные волны). Но так как излучение длинноволновое, то парниковые газы не дают полностью ему улететь в космос. Частично тепловому излучению все же удается обойти парниковые газы, но значительная доля отражается обратно, что и повышает температуру на Земле.

Первым, кто описал парниковый эффект, стал французский ученый Жан-Батист Жозеф Фурье в 1824 году, его же называют автором термина.

2

Некоторые прогнозные оценки

Насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря
на поглощение им теплового излучения, всегда
приводит не к повышению, как это принято думать, а
только к понижению и парникового эффекта, и
средней поверхностной температуры планеты.

Природа парникового эффекта

Парниковый эффект на нашей планете возникает вследствие того, что из-за большого содержания углекислого газа атмосфера поглощает инфракрасное излучение планеты. Если говорить простым языком, то Земля нагревается солнечными лучами, но не может остыть, потому что тепло удерживается атмосферой. Тепло не может выйти в космическое пространство из-за газов, которые его не пропускают. Поэтому температура на поверхности планеты растет. И чем больше парниковых газов содержится в атмосфере, тем сильнее планета будет разогреваться.

Важно: проблема не в том, что эффект парника в принципе существует. Он присутствовал на протяжении всего существования Земли, и именно благодаря этому стало возможно появление жизни. Проблема во внезапном изменении атмосферного состава и резком потеплении. Ни человечество, ни животный мир не будут в состоянии приспособиться к таким быстрым изменениям климата.

Принцип действия парникового эффекта похож на принцип действия теплицы. Солнечные лучи свободно проникают через пленку внутрь теплицы, нагревают воздух и почву. Но тепло не может покинуть парник из-за той самой пленки. Поэтому внутри конструкции всегда теплее, чем снаружи.

Одно время под сомнением была теория, что к появлению резких изменений климата причастен именно человек, но современные исследования не сомневаются – именно деятельность человека повлияла на такое резкое и быстрое увеличение температуры планеты.

Какие на Земле есть основные парниковые газы

Углекислый газ (CO2) — считается важнейшим парниковым газом антропогенного происхождения. Углекислый газ возникает и естественным путем при круговороте углерода, но именно человек увеличил его концентрацию в атмосфере на 47% с момента индустриальной революции. [1]

Метан (CH4) — по своему парниковому эффекту метан считается даже сильнее, чем углекислый газ, но в атмосфере его заметно меньше. Естественные источники — болота и термитники. Антропогенное происхождение — свалки, сельское хозяйство, добыча угля и природного газа.

Закись азота (N2O) образуется при сжигании твердых отходов и ископаемого топлива. Значительная часть N2O идет от сельского хозяйства.

Синтетические химические вещества, например, гидрофторуглероды, галогенированные углеводороды, гексафторид серы и другие синтетические газы. Основной источник — это химическая промышленность.

Озон (O3) — естественным образом встречается в стратосфере и тропосфере Земли и не вызывает значительного парникового эффекта. [2]

Водяной пар — по объему занимает первое место среди всех парниковых газов, однако прямые выбросы водяного пара влияют на парниковый эффект наименьшим образом. [3]

Сам по себе парниковый эффект — благо для нас, так как без него не было бы жизни на Земле. Если представить, что его не существует, средняя температура на Земле составляла бы -18℃, то есть реки и океаны всегда были бы замерзшими и нигде не росли растения. С его же помощью на нашей планете средняя температура достигает +15℃. [4]

Самый сильный парниковый эффект в Солнечной системе существует на Венере. Атмосфера планеты практически полностью состоит из углекислого газа, поэтому температура на поверхности Венеры достигает 475℃.

3

Причины парникового эффекта

Земля постоянно получает и отдает энергию. По закону сохранения энергии все это должно пребывать в радиационном балансе. Но человек своими действиями вывел систему из баланса. Когда объем парниковых газов увеличивается, они все чаще и чаще не позволяют теплу покинуть атмосферу Земли. Получается, что даже то инфракрасное излучение, которое когда-то улетало в космос, теперь частично остается с нами — глобальная температура повышается.

Ученые пришли к выводу, что средняя температура на Земле выросла на 1,1℃ с конца XIX века. [5] Разница всего в 4℃ ранее приводила к ледниковым эпохам, поэтому эта цифра не такая уж и маленькая. Сложился научный консенсус, что в резком росте парниковых газов в атмосфере виновата хозяйственная деятельность человека. [6]

Что усиливает парниковый эффект:

• выбросы производств;
• добыча полезных ископаемых;
• угольные электростанции;
• автомобильные выхлопы;
• экстенсивное сельское хозяйство;
• эксплуатация зданий;
• лесные пожары;
• вырубки лесов.

Наибольший парниковый эффект вызывает сжигание топлива, его добыча и транспортировка, производство сырья (цемент, сталь и другие металлы), пищевая промышленность, захоронение и сжигание отходов. На них приходится примерно 70% всех глобальных антропогенных выбросов. [7]

Ученые вывели потенциал глобального потепления, который позволяет сравнить климатические эффекты парниковых газов за различные периоды времени. Например, 1 кг метана поглощает тепловое излучение в 84 раза лучше, чем 1 кг CO2, если брать 20-летний период. [8]

У газов разное время жизни, например, у метана оно составляет около 12 лет, у N2O — 114 лет. [9] Часть антропогенных выбросов углекислого газа удаляются из атмосферы в течении нескольких десятилетий, но значительная часть остается в атмосфере вплоть до нескольких тысячелетий.

4

Причины возникновения и усиления

Основные причины возникновения и усиления парникового эффекта – это наличие в составе атмосферы парниковых газов и постоянное и быстрое увеличение их количества.

В таблице приведены данные о газах, оказывающих максимальное влияние на потепление:

Водяной пар

Водяной пар оказывает самое сильное влияние на парниковый эффект и причины его возникновения.

Важно: Кажется, что нет ничего страшного в том, что предприятие в результате своей деятельность вырабатывает пары воды. Но на самом деле, одна тонна водяного пара эквивалентна 360 кг. углекислого газа в плане влияния на парниковый эффект.

Водяной пар, как и другие парниковые газы, является непрозрачным для теплового излучения. На данный момент влияние выбросов парообразной воды в атмосферу сильно недооценивается.

Водяной пар, накапливаясь, разогревает воздух, что провоцирует испарение воды, в результате чего водяного пара становится еще больше. Когда в атмосферу попадает углекислый газ, температура также увеличивается, что снова вызывает испарение воды. Получается, что пары воды тесно взаимосвязаны с CO2, между ними есть положительная обратная связь, в результате которой оба этих газа совместно влияют на потепление.

Основными источниками выбросов водяных паров являются атомные электростанции. Ежегодно АЭС вырабатывают тысячи миллионов тонн водяного пара.

Углекислый газ

Углекислый газ является вторым по способности вызывать потепление. Основные потребители двуокиси углерода – это мировой океан и растения. Однако при перегнивании растений выделяется примерно столько же СО2, сколько и потребляется.

Причины увеличения количества углекислого газа в атмосфере:

1. Естественные источники:

• Вулканические выделения

• Сгорание в воздухе органических соединений

• Дыхание живых существ на планете

• Перегнивание умерших растений

• Океанические выделения

• Естественные пожары

2. Антропогенные источники:

• Выбросы заводов, перерабатывающих топливо (уголь, природный газ, нефть)
• Вырубка лесов

Основы адиабатической теории парникового эффекта

Парниковым эффектом атмосферы называется
разность между средней температурой поверхности
планеты и ее радиационной (эффективной)
температурой**, под которой эта
планета видна из космоса. Средняя температура по
всей Земле в целом приблизительно равна +15 °С, а
ее эффективная температура –18 °С, следовательно,
парниковый эффект на Земле сейчас равен +33 °С. Так
как Земля обладает сравнительно плотной
атмосферой, в нижнем и наиболее плотном слое
атмосферы — тропосфере, толщиной около 12 км,
перенос тепла происходит не радиационным путем,
как это представляют себе сторонники
«классического» подхода к парниковому эффекту, а
в основном благодаря конвективным движениям
воздушных масс. Действительно, в плотной
тропосфере, с давлением больше 0,2 атм. (около 200
гПа, или 150 мм рт. ст.), всегда доминирует вынос
тепла воздушными потоками, то есть путем
конвективного перемещения воздушных масс, при
котором теплый воздух расширяется, становится
более легким и поднимается вверх, а холодный,
наоборот, сжимается, тяжелеет и опускается вниз.
Радиационный же перенос тепла доминирует только
в разреженных слоях стратосферы, мезосферы и
термосферы. Отсюда следует первый вывод, что
среднее распределение температуры в толще
тропосферы должно быть близким к
адиабатическому распределению, то есть
учитывающим расширение и охлаждение воздуха при
его подъеме, и, наоборот, сжатие и разогрев
воздуха при его опускании.
Конденсация влаги в тропосфере порождает
облачность, а облачность является главным
фактором, определяющим отражательную
способность Земли (ее альбедо). Это создает
сильную отрицательную обратную связь между
приземной и радиационной температурами Земли,
что приводит к стабилизации температурного
режима тропосферы. Действительно, любое
повышение приземной температуры усиливает
испарение влаги и увеличивает облачность Земли,
а это в свою очередь повышает альбедо планеты и
отражательную способность земной атмосферы. В
результате увеличивается отражение солнечного
тепла от облаков в космос, а поступление тепла на
Землю — сокращается, и средняя температура
земной поверхности снижается до прежнего уровня.
Для получения локальных климатических
характеристик планеты в рассматриваемые модели
следует ввести альбедо земной поверхности и
привнос тепла циклонами. При таком подходе
становится вполне понятным переохлаждение
земной поверхности в зимнее время под
антициклоническими областями. В таких условиях
земная поверхность покрыта слоем снега с высоким
альбедо, ее прогрев солнечным излучением
оказывается незначительным; это приводит к
переохлаждению воздуха и наступлению «трескучих
морозов». При стоянии устойчивых антициклонов,
то есть при отсутствии привноса дополнительной
энергии более теплыми воздушными массами, в
таких заснеженных регионах происходит общее
переохлаждение тропосферы. Яркими примерами
такого переохлаждения воздуха могут служить
условия, возникающие в центральных районах
Антарктиды, чему неоднократно был свидетелем и
автор данной статьи, а также зимой в Якутии и
Верхоянье. Но как только антициклонический режим
в тропосфере сменяется циклонической
деятельностью, сразу же восстанавливается
конвективное перемешивание воздушных масс,
происходит потепление и в среднем вновь
приблизительно восстанавливается рассмотренное
здесь адиабатическое распределение температуры.
В летнее же время в таких антициклонических
областях с сухим воздухом, но без снежного
покрова, наоборот, происходит перегрев приземных
слоев тропосферы приблизительно на 4—5 °С и даже
выше, со всеми симптомами засухи, что часто
случается, например, в степях нашего Заволжья.

Последствия парникового эффекта

Изменение температуры прямо пропорционально радиационному воздействию. Ученые уже подсчитали, что если количество CO2 удвоится, это вызовет потепление от 1,5°C до 4,5°C — это так называемая чувствительность климата. Уже сейчас концентрация углекислого газа в 1,5 раза выше доиндустриального уровня. [10]

Некоммерческий исследовательский центр Oxford Economics опубликовал исследование о влиянии глобального потепления на экономику. Ученые взяли за основу показатель оптимальной температуры, при которой люди работают максимально производительно, а сельскохозяйственные культуры дают наибольший урожай. Эксперты определили этот показатель в 15°C. Государства, в которых среднегодовая температура ниже этого значения, могут получить небольшие преимущества от потепления. Страны с более жарким климатом, наоборот, понесут ущерб.

В ходе исследования специалисты из Oxford Economics проанализировали данные о положении в 203 развитых и развивающихся странах и спрогнозировали падение мирового ВВП на 20% к 2100 году. Такой вывод основан на предположении, что средняя температура продолжит расти с такой же скоростью, что и сейчас (примерно на 0,2°C в десятилетие). Выводы специалистов из Oxford Economics подтверждают результаты более раннего исследования, которое в 2015 году опубликовали ученые из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли.

По мнению экспертов из Oxford Economics, больше всего пострадает экономика Индии: ВВП на душу населения в стране упадет на 90% к 2100 году, если выбросы парниковых газов в атмосферу не снизятся. Специалисты также предположили, каким мог бы быть этот показатель в разных странах, если бы средняя температура была на 1,1°C ниже. Согласно прогнозу, он был бы значительно выше. Например, ВВП на душу населения в Нигерии мог бы быть на 35% больше, чем сейчас.

5

Аргументы сторонников классического подхода к проблеме парникового эффекта

Рассматривая проблемы парникового эффекта,
нельзя обойти молчанием и аргументы
последователей идеи С. Аррениуса о прямом
воздействии концентрации углекислого газа на
температуру тропосферы. Так, сторонники этих
идей обычно приводят данные по содержанию
углекислого газа в пробах воздуха из древних
слоев фирна Гренландии и Антарктиды,
показывающие, что в периоды межледниковых
потеплений концентрация этого газа в атмосфере
всегда повышалась (рис 4).

Источники

• https://Trends.RBC.ru/trends/green/603766c39a794772017c8a13
• https://geo.1sept.ru/article.php?ID=200403603
• https://cleanbin.ru/problems/the-greenhouse-effect