Парниковий ефект

Вже досить тривалий час людство переймається проблемою зміни клімату на Землі. Те, що ці зміни відбуваються - не викликає сумніву навіть у школярів.

Але факт антропогенного впливу, тобто впливу людської діяльності на зміни клімату ставляться під сумнів багатьма науковими школами, особливо розвинутих країн, в галузі фізики атмосфери, кліматології, геофізики, гідрології, фізики океану тощо. Найбільші прибічники звинувачення людської діяльності у кліматичних аномаліях - це екологи. Серед відомих визнаних світовою наукою факторів впливу на клімат, виділяють чотири: циклічні коливання інтенсивності випромінювання Сонця; зміна траєкторії руху Землі, концентрація парникових газів, концентрація аерозолей. Два останні, особливо третій фактор, на думку екологів, і є основною причиною зміни клімату на Землі, бо саме вони призводять до так званого парникового ефекту.

Вперше думку про вплив газів, що накопичуються у атмосфері завдяки людській діяльності, висловив наприкінці XIX століття Нобелівський лауреат С. Арреніус. Він вважав, що гази, які потрапляють в атмосферу, поглинають тепло і затримують теплове випромінювання з поверхні планети, тим самим підвищуючи середню температуру поверхні Землі і створюючи так званий парниковий ефект.

Найбільш відомі теорії циклічності зміни клімату на Землі: кожні 100 тисяч років середня температура змінюється з амплітудою 5 — 10°С під впливом космосу, зокрема сонячної активності. Новітні дослідження американських вчених начебто стверджувально відповідають на питання про першопричину зміни клімату - космічні чинники. Таке ствердження дало змогу науково обґрунтувати відмову США підписати Кіотські протоколи.

Офіційна, обґрунтована дослідниками точка зору США полягає в тому, що статистичне узагальнення даних майже трирічних спостережень клімату доводить те, що потепління відбувається природним шляхом і майже не пов’язане з антропогенною діяльністю.

Позиція США стане зрозумілою, якщо з’ясувати сутність Кіотського протоколу 1997 року до Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату. Рамкова Конвенція була покликана об’єднати зусилля із запобігання небезпечним змінам клімату і домогтися стабілізації концентрації парникових газів в атмосфері на відносно безпечному рівні. Кіотеький протокол цієї Конвенції закріпив кількісні зобов’язання розвинених країн і країн з перехідною економікою з обмеження і зниження надходження парникових газів в атмосферу.

По-перше, розвинені країни та країни з перехідною економікою, в тому числі й Україна, повинні в цілому до 2008 -2012 років скоротити свої викиди парникових газів не менш ніж на 5% від рівня 1990 року. По-друге, враховуючи ту обставину, що до 98% всіх викидів С0₂ (або 80% всього ефекту) дає енергетична галузь, Кіотським протоколом встановлена квота обсягів викидів і квоти платежів за викиди С0₂ для найбільших забруднювачів. Система світового ринку торгівлі квотами за викиди парникових газів буде сприяти ефективності зниження обсягів викидів парникових газів. Найбільшими забруднювачами сьогодні є США, Росія, Японія, Німеччина, Франція, Італія, Велика Британія, Канада, Австралія, Україна. Жодна з цих країн не підписала Кіотський протокол. Вони не підписують його із зрозумілих фінансових міркувань. Таку відмову можна і треба обґрунтовувати. Отже й набувають все більшого поширення тези про необґрунтованість парникового ефекту та участь у ньому людської діяльності.

Енергія, яка необхідна для різноманітних біологічних, геофізичних і геохімічних процесів, досягає Землі у формі сонячного випромінювання. Основний механізм емісії й абсорбції електромагнітного випромінювання - переходи атома або молекули між більш високими і більш низькими рівнями енергії. Коли молекула одержує енергію, її електрони переходять на більш високий рівень енергії, у випадку втрати молекулою енергії, остання виділяється у вигляді випромінювання, довжина хвилі якого визначає температуру поверхні тіла, що випромінюється. Чим вища температура тіла, що випромінює, тим коротша довжина хвилі випромінювання, що виділяється.

Температура поверхні Сонця складає 5800 градусів К і воно випромінює в короткохвильовій області з максимумом випромінювання у видимій області при 500 им. Сонячне випромінювання відбивається атмосферою (хмари, частинки пилу), поверхнею Землі, проте здебільшого абсорбується поверхнею Землі, що у такий спосіб нагрівається, а частину отриманої енергії знову випромінює. Але тому, що Земля має значно меншу температуру, ніж Сонце, вона випромінює в довгохвильовій інфрачервоній області (14).

Деякі гази, у першу чергу водяні пари і діоксид вуглецю абсорбують це випромінювання і перетворюють його знову на тепло. Внаслідок цього атмосфера нагрівається і випромінює відповідно її температурі частину енергії знову на поверхню Землі. Таким чином, збільшується температура Землі і ближчих до її поверхні прошарків повітря. Цей ефект подібний до парника, скляна стріха якого утримує інфрачервоне випромінювання. Якби наша атмосфера не містила так званих парникових газів (Н₂0, С02, N20, О3 тощо), температура поверхні Землі була б значно нижчою.

Для кращого розуміння парникового ефекту розглянемо баланс випромінювання Сонця і його взаємозв’язок із температурою поверхні Землі.

Відповідно до закону Стефана і Больцмана, тіло з температурою Т на одиницю площі в одиницю часу випромінює енергію sT4 причому s - константа Стефана-Больцмана (α=5,67х10*8W м² К⁴). Це співвідношення дійсне тільки для так званого»чорного тіла», що у всій області довжини хвиль цілком абсорбує випромінювання і знову віддає. Сонце і поверхня Землі в першому наближенні можуть розглядатися як»чорні тіла».

Сонце випромінює з потужністю їх до 3,88x1026 W. Із закону Стефана-Больцмана випливає:

Lc = σТс ⁴ 4Пrс ²

Де: Тс - температура поверхні Сонця (Тс = 5800 К); гс -радіус Сонця (гс - 7x108м). Інтенсивність сонячного випромінювання на відстані а від Сонця складає Lc/4Па. Якщо а -середня відстань між Сонцем і Землею (а = 1,5х10пм), тоді інтенсивність енергії, що палає на поверхню Землі (гя -радіус Землі; г.(= 6,371х10⁶м)

l = Lc/4 r ²(1-А)/4Па²

де: А - частина енергії, яка відбивається в космос, так звана»альбедо», її значення для Землі складає 0,3.

Якщо прийняти, що вся енергія, яка падає на Землю і абсорбується нею, перетворюється на тепло і потім знову виділяється в вигляді випромінювання поверхнею Землі, то в стані рівноваги повинна виконуватися рівність:

σT3 ⁴ 4Пr ² = Soпr 3 ²(1-А)

So= Lc/4па²; Тз - рівноважна температура випромінювання Землі; So - так звана солярна константа Землі, що складає 1372 W/м2. Звідси:

Тз - (l-A)So/σ⁴ - 255 К = -18°С

Таким чином, рівноважна температура випромінювання Землі відповідає -18°С. Але це значення температури значно нижче дійсної середньої температури То поверхні Землі, що складає +15°С. Різниця (Тз - То = 33 К) називається природним парниковим ефектом.

У середньому приблизно 30% сонячного випромінювання, яке падає на Землю, знову повертається в космос, приблизно 25% абсорбується атмосферою (в основному за рахунок озону стратосфери, а також хмар і водяних парів тропосфери), 45% випромінювання, що падає, абсорбується поверхнею Землі, із нього приблизно 60% (29/45) витрачається на випар води і на конвекцію тепла. Це означає, що нетто-інфрачервоне випромінювання складає приблизно 40% (18/45), в шість разів більш значне брутто-інфрачервоне випромінювання (104/45) пояснюється парниковим ефектом.

Вода й озон абсорбують як у спектральній області випромінювання Сонця, так і в інфрачервоній області випромінювання Землі. Озон стратосфери абсорбує в ультрафіолетовій області випромінювань Сонця, а озон тропосфери абсорбує в ІЧ-області випромінювань Землі. Пари води поглинають переважно в ІЧ-області, а діоксид вуглецю практично тільки в ІЧ-області, то вказує на те, що CO., є типовим парниковим газом.

Найбільш значними природними парниковими газами атмосфери є водяні пари, діоксид вуглецю, метан, оксид азоту N2О, а також озон тропосфери О3 Відносний вміст газів у природному парниковому ефекті подано на діаграмі 1.6.1.

Діаграма 1.6.1. Відносний вміст газів у природному парниковому ефекті

Вміст парникових газів в атмосфері значно змінювався протягом історії Землі, але залишався практично постійним протягом останнього тисячоліття. Проте концентрація С09, СН4, N20, а також тропосферного озону в останньому сторіччі поступово збільшується завдяки діяльності людини (табл. 1.6.1).

Таблиця 1.6.1 Характеристика і вміст парникових газів

	СО2	СН4	N20	ХФС Н	О3
Термін життя в атмосфері	50-200 років	10років	10років	50-150 років	Часи-дні
Збільшення концентрації в атмосфері з 1750	27%	115%	7%	-	130%
Збільшення вмісту за рік (у наш час)	0,5%	0,75 %	0,25%	5%	1-1,5%

Додатково до перерахованих газів людина викидає в атмосферу синтетичні речовини, як-от хлор- і фторовмісні вуглеводні (ХФСН), які є, завдяки своїм оптичним властивостям, потенційними парниковими газами. Хоча емісії ХФСН через руйнуючу дію на стратосферний озоновий прошарок зусиллями світової громадськості значно зменшилися, їхній вміст в атмосфері ще приблизно сторіччя буде значним, що пояснюється їхньою значною стійкістю (термін життя). Озон є тепличним газом, тому такі речовини, як оксиди азоту (NOx) і леткі органічні речовини (ЛОВ), що сприяють синтезу озону в тропосфері, можна розглядати як такі, що побічно впливають на парниковий ефект.

Вміст парникових газів за останні 160 тисяч років визначають за повітряними бульбашками у»природних архівах» Гренландії і Антарктики. З цих даних випливає, що температура Землі і концентрація парникових газів тісно взаємозалежні: низькі концентрації характерні для льодовикових періодів, більш високі - для проміжних часів. Вміст С02 в атмосфері до 1850 року складав в середньому 280 ррт, із 1958 (315 ррт) по 1991 рік (354 ррт) він збільшився майже на 25% у порівнянні з доіндустріальним часом. В наш час концентрація С02 в атмосфері перевищила межі, які вона не переступала мінімум за останні 160 тисяч років.

Збільшення вмісту парникових газів, завдяки життєдіяльності людства, посилює природний парниковий ефект, збільшуючи кількість утримуваного на поверхні Землі тепла, що веде до нагрівання атмосфери. Аналізи показують, що глобальна середня температура за останнє сторіччя збільшилася від 0,3 до 0,6°С.

Антропогенними парниковими газами є діоксид вуглецю, метан, оксид азоту N20, ХФСН, а також озон тропосфери. Перераховані гази виникають, в основному, за рахунок горіння носіїв енергії (вугілля, нафта, газ); іншими джерелами їхньої емісії є виробництво і споживання ХФСН, а також сільське господарство (діаграми 1.6.2,1.6.3,1.6.4).

? Горіння носіїв енергії (87%)

? Використання землі (11%)

? Цемент(2%)

Діаграма 1.6.2. Походження СО2-емісій.

? Рисові поля (28%) Худоба (29%)

? Енергія (23%)

? Біомаса (10%)

■Депоновані сховища (10%)

Діаграма 1.6.3. Походження СН4-емісії.

? Біомаса (43%) D Пасовища (2%)

? Добрива (21%)

? Енергія (34%)

Діаграма 1.6.4. Походження N2O-емісій.

Пари води характеризуються незначним терміном перебування в атмосфері (термін життя), тому антропогенні емісії не призводять до вираженої зміни концентрації парів, проте польоти літаків утворюють у нижніх прошарках стратосфери так звані»цирус»-хмари (кристали льоду), які практично не абсорбують сонячне випромінювання, але ефективно абсорбують теплове випромінювання Землі, посилюючи у такий спосіб парниковий ефект.

Абсорбція інфрачервоного випромінювання Землі пропорційна концентрації тепличних газів в атмосфері. У зв’язку з інерцією системи клімату додаткова акумуляція тепла не призводить до негайного підвищення температури. Відповідне уповільнення називається»radiative forcing».»Radiative forcing» різноманітних газів залежить від їхніх оптичних властивостей і терміну перебування в атмосфері. Беручи до уваги ці два чинники, можна визначити, якою мірою даний газ впливає на клімат. Відповідний коефіцієнт називається глобальним тепловим потенціалом (ГТП). ГТП діоксида вуглецю дорівнює 1. Молекула метана в 25 разів, молекула N.,0 в 250, а молекула ХФСН у 1000 - 10000 разів більш значніше впливає на клімат, ніж молекула діоксида вуглецю.

Метан за допомогою ОН-радикалів, при утворенні озону або в реакції з озоном, перетворюється відповідно на CO або на С02. Хлор- і фторвмісні вуглеводні накопичуються в стратосфері, згодом руйнуються там під впливом фотолізу, що призводить до руйнації озонового прошарку. Озон утворюється за допомогою таких речовин як NOx і ЛОС і насамперед із CO і СН4.

Таблиця 1.6.2

Відносний вплив парникових газів на парниковий ефект

	С02	СН4	N20	ХФСН	NOx	ЛОС	CO
Емісії, Мт
Відносний внесок, виходячи з ГТП, %	72,5.		12,5		-	-	-

Таким чином, враховуючи прогнози різних інститутів на майбутнє, можна зробити деякі висновки. При екстраполяції сьогоднішніх тенденцій емісії всіх тепличних газів (за винятком ХФСН) будуть далі зростати, емісія С02 наприклад, у 2100 році збільшиться до 170%. Розробляються також сценарії, що враховують заходи всіх країн по стабілізації і зменшенню С02емісій й емісій інших газів. Проте, практично всі сценарії прогнозують збільшення температури від 1,5 до 4,5 С до кінця цього сторіччя, тобто приблизно на 0,3°С за рік.

Хоча різноманітні моделі не можуть враховувати весь комплекс регіональних і локальних змін, вони усе ж таки показують, що потеплення буде розподілятися нерівномірно по всій планеті: для країн північних широт воно може бути дещо вищим, ніж у середньому.

Клімат визначається комплексом взаємодій між атмосферою, морем і сушею. Система атмосфера-океан більш стабільна, проте може легко змінюватися під впливом значного порушення. Атмосферні процеси відбуваються нелінійно, тому кожна зміна клімату, яка обумовлена потеплінням, може спричинити непередбачені наслідки. Через ефект зворотного зв’язку виявляється тенденція до посилення порушень і встановлення нового стану рівноваги (наприклад, льодовиковий і теплий періоди). Процеси, що відбуваються в льодовиках і океанах можуть викликати раптові коливання теплих і холодних періодів.

Можна прогнозувати збільшення рівня Світового океану (від З до 10 см за десятиліття), затоплення населених приморських рівнин, явища глобальних катаклізмів (посухи, шторми, урагани), поширення пустель й одночасно збільшення кількості опадів, зсув теплих кліматичних зон у напрямку до полюсів та ін. Збільшення рівня океану, наприклад, на 20-50 см до 2050 року є погрозою для низько розташованих островів і зон пустель (Індія, Китай, Єгипет, Нідерланди та ін.), де мешкає третина населення планети. Для деяких країн витрати на боротьбу з пустелями складуть біля 20% брутто-соціального продукту.

Зменшення опадів у багатьох регіонах спричинить дефіцит продуктів харчування. У середніх широтах північної півкулі, навпаки, врожайність зросте за рахунок збільшення періодів вегетації. Проте, в цих широтах лежить підзолистий, лісовий і тундровий ґрунт, а не родючий чорнозем. Зсув зон вегетації більшості лісових екологічних типів на сотні кілометрів у напрямку полюсів призведе до різкого зменшення розмаїтості видів рослинності. У сухих кліматичних зонах виникнуть проблеми з водопостачанням, проблема особливо гостро стане перед країнами, що розвиваються. Тропічна зона стане ще більш непридатною для проживання, прогнозується поширення тропічних захворювань.

Чорне море знищує споруди на березі аномальними хвилями (»цунамі») один раз на декілька тисяч років. Дощі в Карпатах утворюють потоки води, що несуть пісок і камінь. Практично усе Полісся періодично затоплює, періодично відбуваються потопи під час штормів Азовського моря. Найбільш низькі температури в Україні (-30°С) призводять до вимерзання озимих і садів, руйнують лінії зв’язку. Снігові заметілі найбільш інтенсивні в Криму.

Ось такий приблизно прогноз не налаштовує нас на безхмарне існування, а навпаки, повинен мобілізувати усю спільноту до активних дій, щоб запобігти надмірному впливу антропогенної діяльності на зміну клімату на Землі.

Наша країна, як частина світового співтовариства, занепокоєна подальшим загостренням екологічних проблем, в тому числі зміною клімату під впливом людської діяльності. Сьогодні потрібні реальні дії з пом’якшення антропогенного впливу на зміну клімату. Поряд з проблемами суто технічного характеру виникають економічні питання, найважливіші серед яких - фінансування екологічних програм. У цій площині виникає також низка питань щодо участі нашої країни в світових форумах та вироблених ними механізмах вирішення нагальних екологічних проблем.

Отже, Кіотський протокол виник через те, що існуючі в світі схеми виробництва ведуть до екологічного опустелення, виснаження ресурсів, масового зникнення біологічних видів. Економічний розвиток і блага, який він приносить, доступні не усім, - безодня між багатими та бідними з кожним роком збільшується.

Особлива проблема - це енергетична структура світу. До середини XXI століття на Землі з паливних ресурсів залишиться лише вугілля. Якщо використовувати паливні ресурси у темпах сьогодення, атмосфера за хімічним складом може повернутись у первозданний стан і буде придатною для життя.

Таким чином, для збалансованості газового складу потужність земної енергетики не повинна переважати потужності біосфери.з поглинання парникового газу.

Кіотський протокол, враховуючи ці обставини, пропонує просту формулу: кожна країна повинна спалювати стільки кисню, скільки виробляє її територія. Якщо вона спалює чужий кисень, то повинна платити країнам, які не використовують свій кисень. Сьогодні Кіотський протокол не підтримують перенаселені та промислово розвинені країни там вважають, що положення Протоколу призведуть до підвищення цін на енергію та зниження життєвого рівня населення. Більшість країн занепокоєні дисбалансом у використанні природних ресурсів: майже половину їх споживають розвинені країни. Але ж при цьому вони й повинні більше платити за викиди парникових газів, за спалений кисень. І платити повинні країнам, які його майже не спалюють, а навпаки, завдяки рослинницьким ресурсам, постачають у великій кількості в атмосферу. Чи займався хтось такими підрахунками? Адже таким чином слід було визнати, що бідні, не перенаселені країни надають світові певну кількість екологічних послуг, які мають певну вартість. Отже, ці послуги можуть бути зараховані бідним країнам як сплата їхнього зовнішнього боргу або як компенсація за передачу сучасних екологічно безпечних технологій від розвинутих країн.

Україна - не багата і не перенаселена країна, але її розвиток, навіть існування, залежать від функціонування виробництв, які пов’язані з забрудненням навколишнього середовища, погіршенням здоров’я працюючих, підвищеною аварійністю. Сьогодні наша держава не виробляє, навіть не прагне виробляти складні технічні вироби, а отримує їх із розвинених країн за підвищеними цінами. В той же час, Україна, не маючи коштів на екологізацію своєї важкої промисловості, все більше втягується в коло неоколоніальних, екологічно забруднених країн. Територія України може стати полігоном для експорту забруднення з країн Заходу, механізм якого давно і добре відпрацьований. Маючи свої власні ресурсні, демографічні, енергетичні, соціальні проблеми, маючи Чорнобиль, ми приймаємо на себе й західні екологічні проблеми.

Україна повинна йти власним шляхом ресурсно-екологічного оновлення виробництв за рахунок спеціалізованої інноваційної інфраструктури, радикальної екологізації виробництва з застосуванням новітніх технологій. Щодо фінансування цих заходів, то найперше, що треба зробити - це подолати негативний вплив податків на складні виробництва, вони повинні сприяти залученню до виробництва власних, а не зарубіжних інвесторів, адже останніх не турбує наша екологіч на ситуація. А існуючі сьогодні податки на ПДВ та на прибуток примушують наших інвесторів вивозити капітал в офшорні зони. Український капітал повинен вкладатися в українську економіку. Це найголовніша умова сталого економіко-екологічного розвитку України. Таким шляхом йшли у повоєнні роки Німеччина і Японія. Саме таким чином досягла успіху політика Рузвельта в США в роки Великої депресії.

Контрольні запитання

1. Що таке»екосистема» та»соціосфера»?

2. Що таке»ноосфера»?

3. Охарактеризуйте види та масштаби забруднення довкілля.

4. Які глобальні наслідки парникового ефекту?

Дата добавления: 2014-01-04