Пути снижения воздействия парникового эффекта на состояние климата Земли

Содержание 

Введение………………………………………………………………………….3

1. Механизм возникновения парникового эффекта…………………………..5
2. Сущность парникового эффекта…………………………………………..11
3. Последствия парникового эффекта………………………………………...16
4. Экологические прогнозы………………………………………………..….21
5. Пути снижения воздействия парникового эффекта на состояние климата Земли………………………………………………………………………….23

Заключение……………………………………………………………………...25

Список  литературы………………………………………………………….….26 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Глобальные  экологические проблемы в настоящее время находятся в центре внимания как специалистов различного профиля, так и общественности. Отношение к ним неоднозначно - от страха перед приближающимся концом цивилизации до глубокого скепсиса в отношении существования многих из них.

Можно полагать, что все глобальные экологические  проблемы обусловлены хозяйственной  деятельностью человечества, масштабы которой, как уже отмечалось, становятся сопоставимыми с геологическим  и космическим воздействиями. К  возможным последствиям этого относят "парниковый эффект", влияние аэрозолей, "озоновую дыру",нарушение биохимического круговорота веществ и ряд других проблем. Для их разрешения на конференции ООН по проблемам окружающей среды была принята Декларация, содержащая основные принципы международного сотрудничества в данной области, и создана ЮНЕП. В 1982г. Генеральная Ассамблея ООН одобрила Всемирную хартию природы.

       Охрана  окружающей природной  среды и  рациональное использование естественных ресурсов - одна из актуальных глобальных проблем современности. Ее решение неразрывно связано с борьбой за мир на Земле, за предотвращение ядерной катастрофы, разоружение, мирное сосуществование и взаимовыгодное сотрудничество государств.

       Все мы в последние десятилетия наблюдаем  резкое повышение температуры, когда зимой в место отрицательных температур, мы месяцами наблюдаем оттепели до 5 – 8 градусов тепла, а в летние месяцы – засухи и суховеи, иссушающие почву земли и ведущие к ее эрозии. Почему это происходит?

       Ученые  утверждают, что причиной, прежде всего, является губительная деятельность человечества, приводящая к глобальному изменению климата Земли.

       Сжигание  топлива в электростанциях, резкое увеличение количества отходов от производственной деятельности человека, увеличение автомобильного транспорта и как следствие увеличение выбросов углекислого газа в атмосферу Земли при резком сокращении лесопарковой зоны,  привело к возникновению так называемого парникового эффекта Земли.

     В последнее время деятельность человека оказывает беспрецедентное по масштабам  и интенсивности воздействие на окружающую среду и глобальные системы жизнеобеспечения. Доказательство тому - одна из многих экологических проблем - глобальное потепление климата - парниковый эффект. Скоро атмосфера станет непроницаемой для тепла, и последствия могут быть очень глобальными - неизбежное повышение уровня мирового океана в результате таяния материковых и горных ледников, морских льдов, теплового расширения вод океана. Такое потепление климата вызовет серьёзные изменения экологических условий в тундре, в зонах «вечной мерзлоты»: увеличится сезонное протаивание грунтов, что создаст угрозу дорогам, строениям и коммуникациям, активизируется процесс заболачивания, ухудшится состояние лесных массивов на вечной мерзлоте. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Механизм  возникновения парникового эффекта

Впервые всестороннее обсуждение возможности  парникового эффекта, связанных с ним изменений климата и экосистем произошло в рамках международной конференции ЮНЕП, ВМО и МСНС в Филлахе (Австрия) 5-15 октября 1985 г. Общая картина, изложенная на конференции и в последующих исследованиях проблемы парникового эффекта, сводится к следующему (Парниковый эффект..., 1989).

В настоящее  время в атмосфере наблюдается  рост содержания некоторых малых газов, таких как углекислый газ СO₂, закись азота N20, метан СН4, озон О₃, пары воды, хлорфторуглероды и другие галогенпроизводные углерода (фреоны). Эти так называемые парниковые газы, как и основные составляющие атмосферы (азот, кислород), пропускают к поверхности Земли видимую (световую) часть солнечного излучения оптического диапазона. Поглощаемая земной поверхностью солнечная энергия нагревает ее, что приводит к тепловому длинноволновому (инфракрасному) излучению в окружающее пространство. Однако это излучение в значительной степени задерживается компонентами атмосферы и прежде всего парниковыми газами; часть тепла вновь отражается на поверхность Земли. Задержание тепловой энергии у приповерхностного слоя приводит к повышению его температуры («парниковый эффект»).

Представленная  картина возникновения парникового эффекта опирается на квантовую теорию света. В соответствии с ней энергия Ԑ кванта выражается формулой

                                                    Ԑ = hν,                                               (1.2)

где Ԑ — постоянная Планка (6,62*10^-34 Дж*с); ν — частота, присущая кванту.

Поскольку частота видимой части солнечного излучения заметно выше, чем инфракрасной, то и энергия кванта в ней больше, чем кванта теплового излучения — примерно в 1000 раз. Поэтому значительно менее мощные кванты последнего задерживаются атмосферой сильнее, чем падающие на поверхность кванты света. Задержанию в существенной степени содействуют более крупные молекулы парниковых газов. Действительно, диаметр молекул основных газовых составляющих атмосферы (N₂, О₂) разными методиками расчета оценивается соответственно в 3,15-3,70*10^-8 и 2,94-3,56*10^-8 см, а для СО₂ и СH₄, например, он составляет 3,24-4,54*10^-8 и

3,24-4,30*10^-8 см (Кэй...).

В основе рассмотренного механизма возникновения  парникового эффекта лежит идея знаменитого шведского физико-химика С.Аррениуса о прогреве атмосферы за счет поглощения ею инфракрасного излучения (1896 г.) и представление о том, что передача тепла в тропосфере происходит за счет его радиации.

В настоящее  время, с учетом концентраций и продолжительности существования парниковых газов в атмосфере, их вклад в возможное потепление оценивается следующим образом, %: СО₂-55; СН₄-15; N20-6; ХФУ-24 (Изменения климата...). Поскольку основная доля парникового эффекта приходится на СО₂, то обычно анализ этой проблемы связывают с изменением его концентрации. Ее значения в различные периоды времени оцениваются следующим образом, млн^-1 : начало голоцена, или послеледниковое время 8 тыс. лет назад, — 500 (анализ пузырьков воздуха из ледниковых кернов); до-индустриальная эпоха (середина 19 в.) — 275; 1958 г. — 315, 1984 г. — 354 (Парниковый эффект...; Рябчиков).

В соответствии с различными сценариями удвоение содержания СO₂ в атмосфере в сравнении с доиндустриальным периодом может произойти в середине 21 в. или после 2100 г. Удвоение, как полагают, приведет к повышению температуры на 1,5-4,5 К. Что касается вклада других газов в парниковый эффект, то для следующих по значимости после диоксида углерода ХФУ он будет снижаться (производство ХФУ в ряде высокоразвитых стран запрещено и сокращается в связи с негативной ролью не только в создании парникового эффекта, но и в развитии «озоновой дыры»). Считают также, что отсутствие парниковых газов и особенно водяного пара в атмосфере снизило бы современную температуру у земной поверхности (+15,2°С) на 32-40°С и привело к существованию биоты на Земле в формах, весьма отличных от ныне существующих (Рябчиков; Шилов).

Для биосферы Земли развитие парникового эффекта  может иметь как положительные, так и отрицательные экологические последствия.

К положительным  следует отнести то, что при  глобальном потеплении увеличится испарение с поверхности Океана и возрастет влажность атмосферы. Это благоприятно скажется на снижении засушливости аридных областей. Повышение концентрации СО₂ в воздухе может интенсифицировать фотосинтез, а значит, способствовать росту продуктивности как естественных лесных формаций, так и культурных растений. Применительно к России урожай зерновых может подняться в среднем на 67%, кормовых трав — на 95% (Вронский, 1996).

При увеличении концентраций парниковых газов модели климата предсказывают больший  рост температуры в высоких широтах  и меньший — в низких. Анализ в некоторых работах приводит к выводу, что при потеплении на 1 К границы зернопроизводящих областей средних и высоких широт отодвинутся на несколько сотен километров к северу, а в холодных горных районах возможно перемещение продуктивных зон вверх более чем на 100 м (Парниковый эффект...).

К отрицательным  последствиям парникового эффекта относят прежде всего возможное поднятие уровня Мирового океана. К негативным последствиям для России, где до 50% территории занято вечной мерзлотой, причисляют также усиление сезонного протаивания грунтов. Это создаст угрозу дорогам, строениям и коммуникациям, активизирует процессы термокарста, заболачивания, ухудшит состояние лесных массивов на вечной мерзлоте и др.

В свете  предполагаемых отрицательных последствий  влияния парниковых газов на состояние биосферы и условия жизни людей, по линии ряда международных организаций (ЮНЕСКО, ФАО, ЮНЕП ) уже действует межправительственный комитет по предотвращению глобального потепления климата. Он проводит оценку ущерба от затопления прибрежных территорий, ухудшения качества водных ресурсов, ведет поиск экологически чистых альтернативных источников энергии. В соответствии с решением конференции в Киото, к 2008-2012 гг. объемы выбросов углекислого газа в промышленно развитых странах должны быть снижены до 95% от уровня 1990 г.

Кроме того, предложен ряд эффективных технологий связывания и утилизации СО₂, выделяющегося при сжигании топлива. Они, в частности, предусматривают захоронение диоксида углерода в море: закачку компримированного до жидкого состояния СО₂ в глубинные скальные породы морского дна (А wаtегу...), в океанскую толщу на глубину (Ргос. 27^th …; Fгоbоsе), переработку в твердую блочную кислоту с затоплением ее на большую глубину с последующим газированием морской воды (Fгоbоsе), подачу компримированного до ~50 атм и охлажденного до примерно 40°С СО₂ на морское дно на глубину около 3200 м, где находится наиболее плотная вода с постоянной температурой 4°С и достигается давление порядка 370 атм. В последнем случае СО₂ сжижается и, имея большую, чем вода, плотность, остается на дне, где постепенно взаимодействует с морскими породами и карбонизирует их, переходя в твердое состояние.

Известны  предложения по использованию СО₂ для синтеза Сахаров, метанола, диметилов или пироуглерода, предназначенного для долгосрочного хранения в земле (Розовский; Стейнбек).

Однако  ряд специалистов аргументированно полагает, что роль диоксида углерода и других газов в возникновении парникового эффекта, как и наличие самого эффекта, сильно преувеличены. Уже на конференции в Филлахе отмечалось, что повышение глобальной температуры на 0,3-0,4 К в течение последних 100 лет, строго говоря, нельзя объяснить только увеличением концентрации парниковых газов и что приведенные показатели роста температуры и уровня океана - это не прогноз, а лишь возможные сценарии. Указывалось также, что сценарии потепления не моделируют всех процессов чрезвычайно сложной геосферы в целом, не учитывают взаимосвязи подсистем атмосфера-суша-океан-биосфера (биота и человек), выбросы загрязняющих веществ. Совокупность данных подсистем практически не поддается моделированию и прогнозу, поскольку требует учета порядка 10⁹⁰ связей, число которых ни с чем не сравнимо в человеческой практике.

Основные  факторы, учет которых не оставляет  места явлению парникового эффекта, в последнее время достаточно последовательно изложил, в частности, проф. О.Г.Сорохтин (Глобальные...).

Он и  его сторонники подчеркивают, что, в  отличие от основополагающей идеи С.Аррениуса о нагревании атмосферы за счет поглощения ею инфракрасного излучения, в плотных тропосферах (с давлением, большим 0,2 атм) доминирует конвективный вынос тепла, применительно к Земле — вплоть до высоты 10-12 км. В этом случае поглощение инфракрасного излучения поверхности Земли не играет существенной роли в распределении температуры по высоте тропосферы.

Отмечается, что при реально существующем парниковом эффекте любое повышение  приземной температуры усиливало  бы испарение влаги и увеличивало  облачность Земли, а это, в свою очередь, повысило бы альбедо (отражательную способность) атмосферы. В результате уменьшилось бы поступление тепла на Землю и средняя температура ее поверхности вновь бы снизилась до прежнего уровня. Более того, как показали расчеты метеорологов Гамбургского университета и Института физики плазмы им. М.Планка в Мюнхене, эффект альбедо может привести к похолоданию (Рябчиков). По расчетам О.Г.Сорохтина, замена азотно-кислородной атмосферы Земли на угле-кислотную с давлением 1 атм понизит среднюю приземную температуру на ~5 К.

Указывается также, что прогнозируемое конференцией в Филлахе повышение содержания СО₂ в атмосфере с 354 до 500 млн^-1 невозможно: если даже сжечь все леса на Земле, то концентрация диоксида углерода возрастет не более чем на 25 млн^-1 , что приведет к ее значениям в конце ледникового периода (Рябчиков).

Отмечается, что возможное небольшое потепление обусловлено не столько парниковым эффектом, сколько зафиксированным  повышением солнечной активности. Кроме  того, не учитывается термическая  инерция океана.

Весьма  существенно, что увеличение парциального давления СО₂ в атмосфере является, как отмечает О.Г.Сорохтин, не причиной, а следствием потепления климата. Этот чрезвычайно важный вывод опирается на тот факт, что изменение концентраций углекислого газа в пробах древнего льда несколько запаздывает по сравнению с аналогичным изменением температуры. Последнее коррелирует с известными данными о снижении растворимости СО₂ в воде при повышении температуры. В водах океанов углекислого газа растворено значительно (в 60 раз) больше, чем в атмосфере, поэтому при потеплении климата и соответствующем повышении температуры океанических вод парциальное давление CO₂ в атмосфере с определенным временным лагом будет увеличиваться. Справедливо и обратное рассуждение, относящееся к варианту снижения температуры океанов.Возможной причиной потепления климата в настоящее время может явиться общий долговременный рост температуры, не связанный с повышением концентраций СO₂. Согласно исследованиям А.С.Монина, он зафиксирован уже в начале 19 в., когда технические выбросы парниковых газов в атмосферу были незначительны.Таким образом, проблема изменения климата в результате эмиссии парниковых газов, будучи одной из самых важных в настоящее время, еще далека от однозначного истолкования. Ее необходимо рассматривать во взаимосвязи с другими проблемами, также порожденными антропогенным воздействием (загрязнение воздуха, кислотные дожди, уничтожение лесов и др.)

2. Сущность парникового эффекта

       Многолетние наблюдения показывают, что в результате хозяйственной деятельности изменяется газовый состав и запыленность нижних слоев атмосферы. С распаханных земель во время пыльных бурь поднимаются в воздух миллионы тонн частиц почвы. При разработке полезных ископаемых, при производстве цемента, при внесении удобрений и трении автомобильных шин о дорогу, при сжигании топлива и выбросе отходов промышленных производств в атмосферу попадает большое количество взвешенных частиц разнообразных газов. Определения состава воздуха показывают, что сейчас в атмосфере Земли углекислого газа стало на 25% больше, чем 200 лет назад. Это , безусловно, результат хозяйственной деятельности человека, а также вырубки лесов, зеленые листья которых поглощают углекислый газ.

       С повышением концентрации углекислого  газа в воздухе связан парниковый эффект, который проявляется в нагреве внутренних слоев атмосферы Земли. Это происходит потому, что атмосфера пропускает основную часть излучения Солнца. Часть лучей поглощается и нагревает земную поверхность, а от нее нагревается атмосфера. Другая часть лучей отражается от поверхности Планеты и это излучение поглощается молекулами углекислого газа, что способствует повышению средней температуры Планеты.

       Действие  парникового эффекта анaлогично  действию стекла в оранжерее или  парнике ( от этого возникло название " парниковый эффект").

       ПАРНИКОВЫЕ  ГАЗЫ.

       Рассмотрим, что происходит с телами в стеклянной оранжерее. Излучение высокой энергии  проникает в оранжерею через  стекло. Оно поглощается телами внутри оранжереи. Затем они сами испускают  излучение более низкой энергии, поглощаемое стеклом. Стекло посылает часть этой энергии обратно, снабжая объекты внутри дополнительным теплом. Точно таким же образом земная поверхность получает дополнительное тепло по мере того, как "парниковые" газы поглощают, а затем выделяют излучение более низкой энергии.

       Газы, вызывающие своей повышенной концентрацией  парниковый эффект, называют парниковыми  газами. В основном это углекислый газ и водяной пар, но существуют и другие газы, поглощающие энергию, исходящую от Земли. Например, хлорфтор содержащие углеводородные газы, например, фреоны или хладоны. Концентрация этих газов в атмосфере также увеличивается.

       ПРИРОДНЫЙ ГАЗ.

       Природный газ, используемый в энергетике, относится  к невозобновляемым энергетическим ресурсам, в то же время это наиболее экологически чистый вид традиционного энергетического топлива. Природный газ на 98% состоит из метана,

остальные 2% приходятся на этан, пропан, бутан  и некоторые другие вещества. При  сжигании газа единственным действительно  опасным загрязнителем атмосферы  является смесь оксидов азота.

            На тепловых электростанциях  и в отопительных котельных,  использующих, природный газ, выбросов  углекислого газа, способствующего  парниковому эффекту, вдвое меньше, чем на угольных энергетических  установках, вырабатывающих тоже количество энергии.     

           Применение сжиженного и сжатого природного газа на автомобильном транспорте дает возможность значительно снизить загрязнение среды обитания и улучшить качество воздуха в городах, то есть "затормозить" парниковый эффект. По сравнению с нефтью, природный газ не дает такого загрязнения среды в процессе добычи и транспортировки к месту потребления.

          Запасы природного газа в мире  достигают 70 триллионов кубических  метров. При сохранении нынешних  объемов добычи их хватит более, чем на 100 лет. Газовые месторождения встречаются как отдельно, так и в соединении с нефтью, водой, а также в твердом состоянии (так называемые газогидратные скопления). Большинство месторождений природного газа располагаются в труднодоступных и экологически ранимых районах Заполярной тундры.

            Хотя природный газ и не  вызывает парниковый эффект, его  можно отнести к "парниковым" газам, так как при его использовании  выделяется углекислый газ, способствующий  парниковому эффекту. 

       УГЛЕКИСЛЫЙ  ГАЗ.

       Углекислый  газ - диоксид углерода, постоянно образуется в природе при окислении органических веществ: гниении растительных и животных остатков, дыхании, сжигании топлива. Парниковый эффект происходит из-за нарушения человеком круговорота углекислого газа в природе. Промышленность сжигает огромное количество топлива- нефти, угля, газа. Все эти вещества состоят в основном из углерода и водорода. Поэтому их еще называют органическим, углеводородным топливом.

       При горении, как известно, поглощается  кислород и выделяется углекислый газ. Вследствие этого процесса, каждый год человечество выбрасывает в атмосферу 7 миллиардов тонн углекислого газа! Даже представить трудно себе эту величину.       Одновременно с этим на Земле вырубаются леса - один из самых главных потребителей углекислого газа, причем, вырубаются со скоростью 12 гектаров в минуту!!! Вот и получается, что углекислого газа в атмосферу поступает все больше и больше, а потребляется растениями все меньше и меньше.

         Круговорот углекислого газа  на Земле нарушается, поэтому  в последние годы содержание углекислого газа в атмосфере хотя и медленно, но верно увеличивается. А чем его больше, тем сильнее парниковый эффект.

       ХЛОРФТОРСОДЕРЖАЩИЕ  ГАЗЫ.

       Галогены  или хлорфторсодержащие газы широко применяются в химической промышленности. Фтор используют для получения некоторых ценных вторпроизводных, например, смазочных веществ, выдерживающих высокую температуру, пластмасс, стойких к химическим реагентам (тефлон), жидкостей для холодильных машин(фреонов или хладонов). Фреон выделяется также аэрозолями и холодильными машинами. Считается также, что фреон разрушает озоновый слой в атмосфере.

       Один  из самых распространенных фреонов-дифтордихлорэтан (фреон-12) - газ, не ядовит, не реагирует  с металлами, без цвета и запаха. Под давлением легко сжижается  и превращается в жидкость с температурой кипения - 30градусов по Цельсию. Применяется в холодильных установках и как растворитель для образования аэрозолей. Хлор служит для приготовления многочисленных органических и неорганических соединений. Его применяют в производстве соляной кислоты, хлорной извести, гипохлоритов и хлоратов и др. Большое количество хлора используется для отбеливания тканей и целлюлозы, идущей на изготовление бумаги.

       Хлор  применяют также для стериллизации  питьевой воды и обеззараживане сточных  вод. В цветной металлургии его используют для хлорирования руд, которое является одной из стадий получения некоторых металлов. Особенно большое значение приобрели за последнее время некоторые хлорорганические продукты. Например, хлорсодержащие органические растворители-дихлорэтан, четыреххлористый углерод, широко применяются для экстракции жиров и обезжиривание металлов. Некоторые хлорорганические продукты служат эффективными средствами борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.  

           На основе хлорорганических продуктов изготовляют различные пластические массы, синтетические волокна, каучуки, заменители кожи(павинол). Так как хлорфторсодержащие газы широко используются в промышленности, их добыча непрерывно растет, а, значит, также растут и выбросы в атмосферу этих газов.

       Хлорфторсодержащие  газы - "парниковые газы", следовательно, из-за повышения их концентрации в  атмосфере процесс парникового  эффекта идет быстрее. Кроме того фреоны, относящиеся к хлорфторсодержащим газам, разрушают озоновый слой в  атмосфере. Из этих газов делают ядохимикаты, которые хотя и борятся с сельскохозяйственными вредителями, но и нарушают экологический баланс.

       Содержание  озона в стратосфере также  воздействует на климат. Поглощение озоном ультрафиолетовой радиации приводит к  нагреванию определенных слоев воздуха высоко в стратосфере. Эти слои не позволяют газообразным примесям проникать в толщу стратосферы. Тепловая «шапка» - важный фактор формирования тропосферного воздуха, а следовательно и климата Земли. По этому, любые виды человеческой деятельности, приводящие к уменьшению среднего содержания озона в стратосфере, могут иметь весьма серьезные отдаленные последствия для климата, здоровья людей, состояния всей живой природы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Последствия парникового эффекта

1. Если температура на Земле будет продолжать повышаться, это окажет серьезнейшее воздействие на мировой климат.

       2. В тропиках будет выпадать  больше осадков, так как дополнительное  тепло повысит содержание водяного  пара в воздухе. 

       3. В засушливых районах дожди станут еще более редкими и они превратятся в пустыни в результате чего людям и животным придется их покинуть.

       4. Температура морей также повысится,  что приведет к затоплению  низинных областей побережья  и к увеличению числа сильных  штормов. 

       5. Повышение температуры на Земле может вызвать поднятие уровня моря так как:

       а) вода, нагреваясь становится менее  плотной и расширяется, расширение морской воды приведет к общему повышению  уровня моря;

       б) повышение температуры может  растопить часть многолетних  льдов, покрывающих некоторые районы суши, например, Антарктиду или высокие горные цепи.

       Образовавшаяся  вода в конечном итоге стечет в  моря, повысив их уровень. Следует, однако, заметить, что таяние льда, плавающего в морях, не вызовет повышение  уровня моря. Ледяной покров Арктики представляет собой огромный слой плавучего льда. Подобно Антарктиде, Арктика также окружена множеством айсбергов.

       Климатологи подсчитали, что если растают гренландские и антарктические ледники, уровень  Мирового океана повысится на 70-80 м.

       6. Сократятся жилые земли. 

       7. Нарушится водосолевой баланс  океанов. 

       8. Изменятся траектории движения  циклонов и антициклонов.

       9. Если температура на Земле  повысится, многие животные не  смогут адаптироваться к климатическим  изменениям. Многие растения погибнут от недостатка влаги и животным придется переселится в другие места в поисках пищи и воды. Если повышение температуры приведет к гибели многих растений, то вслед за ними вымрут и многие виды животных.

     Поднятие  уровня океана, даже незначительное, может иметь весьма негативные экологические и социально - экономические последствия: Будут затоплены приморские равнины, ухудшится водоснабжение прибрежных районов. Если же уровень океана повысится существенно, будут затоплены значительные участки суши и ущерб будут огромным. Подсчитано, что при подъёме уровня мировых вод на 1м будет затоплено 20% территории Бангладеш, сельскохозяйственные земли Египта, некоторые крупные города Китая, катастрофическим наводнениям подвергнется Венеция.