Парниковый эффект, основные парниковые газы. Разрушение озонового экрана и его последствия.

Парниковый эффект — повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

Суть парникового эффекта состоит в следующем: Земля получает энергию от Солнца, в основном, в видимой части спектра, а сама излучает в космическое пространство, главным образом, инфракрасные лучи.

Однако многие содержащиеся в ее атмосфере газы - водяной пар, СО2, метан, закись азота и т. д. - прозрачны для видимых лучей, но активно поглощают инфракрасные, удерживая тем самым в атмосфере часть тепла.

В последние десятилетия содержание парниковых газов в атмосфере очень сильно выросло. Появились и новые, ранее не существовавшие вещества с "парниковым" спектром поглощения - прежде всего

 

фторуглеводороды.

Газы, вызывающие парниковый эффект, - это не только диоксид углерода (CO₂). К ним также относятся метан (CH₄), закись азота (N₂O), гидрофторуглероды (ГФУ), перфторуглероды (ПФУ), гексафторид серы (SF₆). Однако именно сжигание углеводородного топлива, сопровождающееся выделением CO₂, считается основной причиной загрязнения.

Причина быстрого роста количества парниковых газов очевидна, - человечество сейчас сжигает за день столько ископаемого топлива, сколько его образовывалось за тысячи лет в период образования месторождений нефти, угля и газа. От этого «толчка» климатическая система вышла из «равновесия» и мы видим большее число вторичных негативных явлений: особо жарких дней, засух, наводнений, резких скачков погоды, причем именно это и наносит наибольший урон.

Согласно прогнозам исследователей, если ничего не предпринимать, мировые выбросы CO₂ в течение ближайших 125 лет вырастут вчетверо. Но нельзя забывать и о том, что значительная часть будущих источников загрязнения еще не построена. За последние сто лет температура в северном полушарии увеличилась на 0,6 градуса. Прогнозируемый рост температуры в следующем столетии составит от 1,5 до 5,8 градусов. Наиболее вероятный вариант - 2,5-3 градуса.

Однако изменения климата - это не только повышение температуры. Изменения касаются и других климатических явлений. Не только сильная жара, но и сильные внезапные заморозки, наводнения, сели, смерчи, ураганы объясняют эффектами глобального потепления. Климатическая система слишком сложна, чтобы ожидать от нее равномерного и одинакового изменения во всех точках планеты. И главную опасность ученые видят сегодня именно в росте отклонения от средних значений - значительных и частых колебаний температуры.

Парниковые газы — газы с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и с высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне. Присутствие таких газов в атмосферах планет приводит к появлению парникового эффекта.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар, углекислый газ, метан, озон, галогеноуглероды, оксиды азота и фторсодержащие газы (Трифторид азота,Фреон).

Водяной пар

Водяной пар является основным естественным парниковым газом, который ответственен более чем за 60 % эффекта. Прямое антропогенное воздействие на этот источник незначительно — к увеличению количества осадков и повышенной влажности способствуют сжигание углеводородов в воздухе и тепловое излучение крупных городов.

В то же время, увеличение температуры Земли, вызванное другими факторами, увеличивает испарение и общую концентрацию водяного пара в атмосфере при практически постоянной относительной влажности, что, в свою очередь, повышает парниковый эффект. Таким образом, возникает некоторая положительная обратная связь. С другой стороны, повышение влажности способствует развитию облачного покрова, а облака в атмосфере отражают прямой солнечный свет, тем самым увеличивая альбедо Земли. Повышенное альбедо приводит кантипарниковому эффекту, несколько уменьшая общее количество поступающего солнечного излучения и дневной прогрев атмосферы.

Углекислый газ

Источниками углекислого газа в атмосфере Земли являются вулканические выбросы, жизнедеятельность биосферы, деятельность человека. Антропогенными источниками являются: сжигание ископаемого топлива; сжигание биомассы, включая сведение лесов; некоторые промышленные процессы приводят к значительному выделению углекислоты (например, производство цемента). Основными потребителями углекислого газа являются растения, однако, в состоянии равновесия, большинство биоценоза за счет гниения биомассы поглощает приблизительно столько же углекислого газа, сколько и производит.

Данный газ также обладает уникальным свойством долговременного воздействия на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остается в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, существуют в свободном состоянии в атмосфере на протяжении более короткого времени.

Метан

Парниковая активность метана примерно в 21 раз выше, чем у углекислого газа. Время жизни метана в атмосфере составляет примерно 12 лет. Сравнительно короткое время жизни в сочетании с большим парниковым потенциалом делает его кандидатом для смягчения последствий глобального потепления в ближайшей

 

перспективе.

Основными антропогенными источниками метана являются пищеварительная ферментация у скота, рисоводство, горение биомассы (в т. ч. сведение лесов). Как показали недавние исследования, быстрый рост концентрации метана в атмосфере происходил в первом тысячелетии нашей эры (предположительно в результате расширения сельхозпроизводства и скотоводства и выжигания лесов). В период с 1000 по 1700 годы концентрация метана упала на 40 %, но снова стала расти в последние столетия (предположительно в результате увеличения пахотных земель, пастбищ и выжигания лесов, использования древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота, количества нечистот, выращивания риса). Некоторый вклад в поступление метана дают утечки при разработке месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия метана в составе биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов.

Озон

Различают тропосферный и стратосферный озон. Первый является парниковым газом, вклад которого в парниковый эффект атмосферы, по наиболее широко распространенным научным оценкам, составляет около 25% от вклада СО₂. Второй является важной составляющей некоторых слоев стратосферы, известных как озоновый слой и защищает Землю от ультрафиолетового излучения солнца, его вклад в парниковый эффект оценивается как близкий к нулю.

Оксид азота

Парниковая активность закиси азота в 298 раз выше, чем у углекислого газа.

 

Вклад парниковых газов в потепление климата: СО₂ - 60%, СН₄ - 15%, NО_х - 13%, хлорфторуглероды - 12%.

Разрушение озонового экрана и его последствия

В последние десятилетия наблюдается разрушение озонового слоя атмосферы Земли вследствие непрерывного воздействия различных факторов физической и химической природы. Озоновый слой, располагающийся на высоте от 18 км (высокие широты) до 22 км (экваториальные области) от поверхности Земли, играет решающую роль в снижении проникающей способности ультрафиолетовой части спектра космических лучей.

В соответствии с суточными колебаниями послеобеденное содержание озона больше утреннего. Максимального значения содержание озона достигает весной, а осенью падает до минимума.

Образуется стратосферный озон в результате воздействия на кислород ультрафиолетовых лучей:

3О₂ + 285 кДж = 2О₃

Разрушение озонового слоя происходит главным образом под действием оксидов азота и хлорфторуглеродов (фреонов). Оно особенно значительно над земными полюсами и в зонах полетов космических аппаратов и сверхзвуковой авиации. Уже установлено наличие постоянной «озоновой дыры» над Антарктидой. Летом на средних и высоких широтах в Северном и Южном полушариях озоновый слой истощается так же, как и над Антарктидой.

В 1993 г. наблюдались «мини-дыры» в озоновом слое над северной Великобританией. Весной 1996 г. зарегистрировано уменьшение озонового слоя до 30% над республикой Коми, Архангельской и Кировской областями. В ряде источников сообщалось, что это связано с запусками космических аппаратов с космодрома в Плесецке, находящегося в Архангельской области. По другим источникам причиной послужили застойные явления в атмосфере, т.к. не было переноса озона с северо-востока России, где его образуется больше всего.

В атмосфере озон распределен в большом интервале высот. Если же его собрать при нормальном давлении и температуре 20 ⁰С в один относительно плотный сферический слой, то его толщина составит всего 2,5...4 мм.

Реакция разложения озона оксидом азота имеет вид:

NO + О₃ ® NO₂ + О₂.

Фреоны (CFCl₃, CF₂Cl₂) поступают в атмосферу практически в том же количестве, в каком они заполняли аэрозольные баллоны. Постепенно поднимаясь над поверхностью Земли и достигнув слоев стратосферы, фреоны под действием солнечного ультрафиолетового излучения разлагаются с образованием активных атомов Cl:

CFCl₃ + hn = CFCl₂ + Cl,

 

CF₂Cl₂ + hn = CF₂Cl + Cl.

Атомарный хлор очень быстро вступает в реакцию с озоном и трансформирует его в обычный кислород:

 

Cl + О₃ ® ClO + О₂.

Прежде чем хлор окажется связанным с каким-либо другим элементом, например, с водородом, может произойти разрушение многих тысяч молекул озона.

Вместе с тем, некоторые ученые полагают, что естественные факторы, например, извержение вулкана, в ряде случаев может привести к более губительным последствиям для озонового экрана, чем антропогенные выбросы фреонов.

Сокращение концентрации озона в озоновом слое может привести к массовым онкологическим заболеваниям кожи у людей, замедлению фотосинтеза и гибели некоторых видов растений.

В результате разрушения стратосферного озона на 25% следует ожидать 35%-ного снижения продуктивной деятельности фитопланктона, который утилизирует в процессе глобального фотосинтеза более половины углекислого газа. Кроме того, ультрафиолетовая радиация подавляет производство фитопланктоном диметилсульфида, играющего важную роль в формировании облачности.

УФ-излучение способно непосредственно поражать икру и мальков рыб.

Непосредственному воздействию УФ-радиации подвергаются фототрофные цианобактерии верхних почвенных слоев, способных утилизировать азот воздуха с последующим использованием его растениями. Таким образом, в результате разрушения стратосферного озона следует ожидать уменьшения плодородия почв.

Наиболее массово выбрасывают в атмосферу озоноразрушающие вещества Япония, Дания, США и другие развитые страны; Россия - на 11 месте.