2. Парниковый эффект атмосферы. Газы с парниковым эффектом. Возможные изменения климата.

Парниковый эффект – способность (газов в атмосфере) в большей степени пропускать к поверхности Земли солнечную радиацию по сравнению с тепловым излучением, испускаемым нагретой Солнцем Землей. В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна плюс 15°С, а без парникового эффекта она была бы минус 18°! Парниковый эффект – один из механизмов жизнеобеспечения на Земле.

Деятельность человека за последние 200 лет, и в особенности после 1950 г., привели к продолжающемуся и в настоящее время повышению концентрации в атмосфере газов, обладающих парниковым эффектом. Неизбежно последовавшая за этим реакция атмосферы заключается в антропогенном усилении естественного парникового эффекта. Суммарное антропогенное усиление парникового эффекта +2,45 ватт/м2 (Международный Комитет по изменению климата IPCC).

Парниковый эффект каждого из таких газов зависит от трех основных факторов:

а) ожидаемого парникового эффекта на протяжении ближайших десятилетий или веков (например, 20, 100 или 500 лет), вызываемого единичным объемом газа, уже поступившим в атмосферу, по сравнению с эффектом от углекислого газа, принимаемым за единицу;

б) типичной продолжительности его пребывания в атмосфере, и

в) объема эмиссии газа.

Комбинация первых двух факторов носит название “Относительный парниковый потенциал” и выражается в единицах от потенциала СО2.

Газы с парниковым эффектом:

Роль водяного пара, содержащегося в атмосфере, в общемировом парниковом эффекте велика, но трудно определима однозначно. При потеплении климата содержание водяного пара в атмосфере будет увеличиваться, тем самым усиливая парниковый эффект.

Диоксид углерода, или углекислый газ (СО2) ( 64% в парниковом эффекте), отличается, по

сравнению с другими парниковыми газами, относительно низким потенциалом парникового эффекта, но довольно значительной продолжительностью существования в атмосфере – 50–200 лет и сравнительно высокой концентрацией. Концентрация углекислого газа в атмосфере в период с 1000 по 1800 гг. составляла 270–290 частей на миллион по объему (ppmv), а к 1994 г. она достигла 358 ppmv и продолжает расти. Может достигнуть 500 ppmv к концу XXI века. Стабилизация концентрации может быть достигнута посредством значительного сокращения объема выбросов. Основной источник поступления углекислого газа в атмосферу – сжигание горючих ископаемых (угля, нефти, газа) для производства энергии.

Источники СО2

(1) Поступление в атмосферу вследствие сжигания горючих ископаемых и производства цемента 5,5±0,5

(2) Поступление в атмосферу вследствие трансформации ландшафтов в тропической и экваториальной зонах, деградация почв 1,6±1,0

Поглощение различными резервуарами

(3) Аккумуляция в атмосфере 3,3±0,2

(4) Аккумуляция Мировым океаном 2,0±0,8

(5) Аккумуляция в биомассе Северного полушария 0,5±0,5

(6) Остаточный член баланса, объясняемый поглощением СО2 экосистемами суши (фертилизация и др.) = (1+2)-(3+4+5)=1,3±1,5

Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере должно стимулировать процесс фотосинтеза. Это так называемая фертилизация, благодаря которой, по некоторым оценкам, продукция органического вещества может возрасти на 20–40 % при удвоенной по сравнению с современной концентрацией углекислого газа.

Метан (СН4) - 19 % от общей его величины парниковых газов (на 1995 г.). Метан образуется в анаэробных условиях, таких как естественные болота разного типа, толща сезонной и вечной мерзлоты, рисовые плантации, свалки, а также в результате жизнедеятельности жвачных животных и термитов. Оценки показывают, что около 20% суммарной эмиссии метана связаны с технологией использования горючих ископаемых (сжигание топлива, эмиссии из угольных шахт, добыча и распределение природного

газа, переработка нефти). Всего антропогенная деятельность обеспечивает 60–80 % суммарной эмиссии метана в атмосферу. В атмосфере метан неустойчив. Он удаляется из нее вследствие взаимодействия с ионом гидроксила (ОН) в тропосфере. Несмотря на этот процесс, концентрация метана в атмосфере увеличилась примерно вдвое по сравнению с доиндустриальным временем и продолжает расти со скоростью около 0,8 % в год.

Рост температуры и увеличение увлажненности (то есть продолжительности нахождения территории в анаэробных условиях) еще более усиливают эмиссию метана. Это характер-

ный пример положительной обратной связи. Наоборот, снижение уровня грунтовых вод из-за пониженной увлажненности должно приводить к уменьшению эмиссии метана (отрицательная обратная связь).

Текущая роль оксида азота (N2O) в суммарном парниковом эффекте составляет всего около 6%. Концентрация оксида азота в атмосфере также увеличивается. Предполагается, что его антропогенные источники приблизительно вдвое меньше естественных. Источниками антропогенного оксида азота является сельское хозяйство (в особенности пастбища в тропиках), сжигание биомассы и промышленность, производящая азотсодержащие вещества. Его относительный парниковый потенциал (в 290 раз

выше потенциала углекислого газа) и типичная продолжительность существования в атмосфере (120 лет) значительны, компенсируя его невысокую концентрацию.

Хлорфторуглероды (ХФУ) – это вещества, синтезируемые человеком, и содержащие хлор, фтор и бром. Они обладают очень сильным относительным парниковым потенциалом и значительной продолжительностью жизни в атмосфере. Их итоговая роль в парниковом эффекте составляет 7%. Производство хлорфторуглеродов в мире в настоящее время контролируется международными соглашениями по защите озонового слоя, включающими и положение о постепенном снижении производства этих веществ, замене их на менее озонразрушающие с последующим полным его прекращением. В результате концентрация ХФУ в атмосфере начала сокращаться.

Озон (О3) – важный парниковый газ, находящийся как в стратосфере, так и в тропосфере. Он влияет как на коротковолновую, так и на длинноволновую радиацию, и потому итоговые направление и величина его вклада в радиационный баланс в сильной степени зависят от вертикального распределения содержания озона, в особенности на уровне тропопаузы. Оценки указывают на положительную результирующую +0,4 ватт/м2.

Возможные изменения климата.

Накопление парниковых газов в атмосфере и последующее усиление парникового эффекта приводит к повышению температуры приземного слоя воздуха и поверхности почвы. За последние сто лет средняя мировая температура повысилась приблизительно на 0,3–0,6°С, что обусловлено не только естественными колебаниями климата, но и деятельностью человека.

В соответствии со сценарием наиболее вероятной величины эмиссии парниковых газов, средняя мировая температура приземного слоя воздуха к 2100 гг. увеличится

приблизительно на 2°С. По сценариям низкой и высокой эмиссии рост температуры составит соответственно 1°С и 3,5°С. В любом варианте, потепление будет значительнее, чем все колебания климата в течение голоцена, то есть последних 10000 лет, и будет

очень серьезной проблемой для человечества.

Вследствие термической инерции океанов средняя температура воздуха будет повышаться и после 2100 г., даже если концентрация парниковых газов к этому времени стабилизируется.

При удвоении содержания углекислого газа в атмосфере по сравнению с преиндустриальным периодом повышение температуры воздуха в различных регионах

будет в пределах между 0,6°С и 7°С. Суша будет нагреваться больше, чем океаны. Наибольшее повышение температуры ожидается в арктических и субарктических поясах, в особенности зимой, в основном вследствие сокращения площади морского льда.

Рост температуры воздуха будет сопровождаться увеличением количества осадков. Вариация изменения осадков будет находиться в пределах от -35% до +50%.

Относительно небольшие изменения средних показателей климата будут сопровождаться повышением частоты редких, катастрофических событий, таких как тропические циклоны, штормы, засухи, экстремальные температуры воздуха и пр.

В последнее столетие происходил неуклонный рост среднего уровня Мирового океана, составивший 10–25 см. Основные причины роста уровня океана – термическое расширение воды вследствие ее нагревания из-за потепления климата, а также

дополнительный приток воды вследствие сокращения горных и небольших полярных ледников. Уровень Мирового океана поднимется к 2100 г. на 50 см (от 20 до 86 см).

Рост уровня океана вызовет серьезные естественные и социально-экономические проблемы в прибрежных зонах морей и океанов. Глобальная система климата приходит в равновесие через десятки-сотни лет после стабилизации концентраций парниковых газов. На восстановление экологических систем нужны десятилетия и даже столетия, причем некоторые компоненты системы могут и совсем не восстановиться (например, некоторые биологические виды).

Изменения ландшафтов суши. В средних широтах повышение температуры на 1–3,5°С за ближайшие сто лет будет эквивалентно смещению изотерм на 150–550 км по широте в

сторону полюсов, или на 150–550 м по высоте. Соответственно начнется перемещение растительности, подобное тем, которые происходили при значительных изменениях оледенения в четвертичный период. Флора и фауна отстанут от того климата, к

котором они развивалась, и будут существовать в другом климатическом режиме. Скорость изменений климата будет, повидимому, выше, чем способность некоторых видов приспосабливаться к новым условиям, и ряд видов может быть потерян.

Могут исчезнуть некоторые типы лесов. Экосистемы не будут передвигаться вслед за климатическими условиями как нераздельная единица; их компоненты будут перемещаться с различной скоростью, в результате чего сформируются новые

комбинации видов, то есть возникнут новые экосистемы и их наборы более высоких рангов. Леса умеренного пояса потеряют часть деревьев при сопутствующем увеличении эмиссии углекислого газа, образующегося при окислении отмирающей биомассы. Приспособление экосистем к новым климатическим условиям, связанное с миграцией видов, будет осложняться антропогенными препятствиями, такими как существование полей, населенных пунктов, дорог и пр.

Наибольшие изменения произойдут в арктическом и субарктическом поясах. Сократятся компоненты криосферы: морские льды, горные и небольшие покровные ледники, глубина и распространение вечной и сезонной мерзлоты, площадь и продолжительность залегания сезонного снежного покрова. Ландшафты сдвинутся в сторону полюса, при их значительной трансформации. От трети до половины массы горных ледников растает, в то

время как ледниковые покровы Антарктики и Гренландии в ближайшие сто лет практически не изменятся.

Пустыни станут еще более аридными вследствие более значительного повышения температуры воздуха по сравнению с осадками.

Прибрежные морские системы.

В прибрежной зоне живет более половины человечества. Поэтому проблемы последствий изменения климата добавятся к уже существующим проблемам, возникшим вследствие высокой и увеличивающейся антропогенной нагрузки на прибрежные системы. В состоянии особого риска находятся мангровые системы, прибрежные засоленные

болота, коралловые рифы и атоллы, речные дельты. Дальнейший рост уровня с сопутствующим увеличением частоты и силы штормовых нагонов приведет к затоплению низко расположенных территорий, разрушению берегов с угрозой сооружениям, на них находящимся, увеличению солености рек в их устьях и подземных вод, изменению условий транспорта наносов и растворенных. В особенности пострадают низкие острова и плоские побережья, в том числе многие крупные и сверхкрупные города. Могут возникнуть весьма значительные миграции населения с серьезными экономическими и политическими последствиями.

В настоящее время около 46 млн. чел. подвержены риску затопления от морских штормов. При росте уровня океана на 1 м этот показатель возрастает до 118 млн. чел. даже без учета ожидаемого прироста населения. Средняя высота Бангладеш равна 7 м над уровнем моря; при подъеме уровня воды на 1 м и при учете роста населения, затоплению будет подвержено 17,5% площади страны с 70 млн. жителей. Некоторые островные страны практически перестанут существовать.

Океан. Изменение климата может также воздействовать на изменения циркуляции вод океана, что в свою очередь повлияет на обилие питательных веществ, биологическую продуктивность, структуру и функции морских экосистем, с последующим воздействием на потоки углерода и, следовательно, на режим парниковых газов, а потому и на климат.

Водные ресурсы и их использование. Изменения климата приведут к интенсификации глобального гидрологического цикла. Относительно небольшие изменения климата могут вызвать нелинейные изменения суммарного испарения и влажности почвы, что приведет к относительно большим изменениям стока, в особенности в аридных районах. В отдельных случаях при росте средней температуры на 1–2°С и сокращении осадков на 10% средний годовой сток может сократиться на 40–70%. Потребуются значительные капиталовложения для приспособления водохозяйственных систем к новым условиям. В особенности серьезные проблемы возникнут там, где водопотребление уже значительно, или где велико загрязнение вод.

Сельское хозяйство. Изменение климата окажет серьезное влияние как вследствие непосредственного климатического воздействия на агроэкосистемы, так и из-за необходимости приспособления сельского хозяйства к новым условиям.

Вследствие увеличения концентрации углекислого газа несколько возрастут величины фотосинтеза и, возможно, урожай. В районах, где земледелие лимитируется притоком тепла (например, в России и Канаде), вероятность повышения урожая увеличится. В аридных и семиаридных районах, где оно ограничено наличием доступной для растений влаги, изменение климата отразится неблагоприятным образом. Потребности в воде для

орошения найдут серьезную конкуренцию с другими потребителями водных ресурсов – промышленностью и коммунальным водоснабжением. Более высокие температуры воздуха будут способствовать ускорению естественного разложения органического

вещества почвы, снижая ее плодородие. Вероятность распространения вредителей и болезней растений увеличится. В целом, однако, ожидается, что общемировой уровень производства продуктов сельского хозяйства может быть сохранен, но

региональные последствия будут варьировать в широких пределах. Возрастет урожай пшеницы в России, Канаде, США и риса в Китае.

Основной документ, регулирующий сотрудничество в области изменения климата, – Конвенция ООН по изменению климата, принятая в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро на Конференции ООН по окружающей среде и развитию.