“Парниковый эффект” или “гринхауз-эффект”
план-конспект занятия (химия) на тему

Миллиарды тонн углекислого газа ежечасно поступают в атмосферу в результате сжигания угля и нефти, природного газа и дров, миллионы тонн метана поднимаются в атмосферу от разработок газа, с рисовых полей Азии (газы полей орошения, образующиеся при гниении органических веществ под действием метанообразующих бактерий в условиях ограниченного доступа воздуха, водяного пара). Все это – “парниковые газы”.

 Как видим, в обоих определениях указан главный источник беды – углекислый газ. Не считая выбросов, в атмосфере Земли находится 2,3·1012 т диоксида углерода. Где же может располагаться “природный” и “антропогенный” CO2? Оказывается основные резервуары CO2 – стратосфера и тропосфера, где CO2 равномерно распределен до высоты 7 км, а также глубинные слои океана; временный резервуар – биосфера. В стратосферу в год поступает 2,5·1016 т CO2, в тропосферу – 3,1·1016 т, в перемешиваемый слой океана – 2,0·1016 т. Время задержки в этих резервуарах 40 лет, 2 года и 1 год соответственно.

 Из курса биологии мы знаем, что CO2 является источником питания растений – играет огромную роль в фотосинтезе. Так и пусть его будет много. Кругом будет благоухать флора. Так нет, все ученые мира требуют снижения выбросов в атмосферу диоксида углерода. Почему?! По своей химической устойчивости диоксид углерода, в отличие от других газов-загрязнителей, более устойчив в атмосфере, он поглощается гидросферой, расходуется на фотосинтез и выветривание силикатных пород, на постройку кораллов, однако эти регуляторы не могут справиться с техногенными выбросами. Накопление CO2 в атмосфере приведет к потеплению, которому будут сопутствовать таяние полярных льдов, подъем уровня мирового океана, затопление густонаселенных приморских низменностей и целых островных государств, опустынивание, иссушение основных сельскохозяйственных районов Северного полушария. Такого рода опасения были существенно подкреплены обнародованным в 1990 году докладом первой рабочей группы Международного пленума по климатическим изменениям, составленным 170 авторитетными специалистами из 25 стран (и еще 200 ученых были привлечены к рецензированию доклада). По их единодушному мнению парниковый эффект уже дал потепление на 0,3-0,6°С (0,5°C) в конце 19 века. Удвоение содержания CO2 в атмосфере произойдет в 2035 г. Соответствующее глобальное потепление составит по разным оценкам от 1,5°C до 4,5°C, а, скорее всего, около 2,5°C. К этому времени ожидается подъем уровня моря от 8 см до 29 см (около 20 см) и до 65 см к 2100 г. На обширных пространствах Евразии и Северной Америки, включая основные житницы, установится летне-сухой климат.

 Обнаружена тесная связь между концентрацией CO2 и температурами в экваториальной области. Оба показателя возрастают и снижаются согласованно, причем изменения концентрации CO2, активно участвующей в создании парникового эффекта, на несколько месяцев отстает от потеплений и похолоданий тропических морей. Отсюда следует, что либо первопричиной краткосрочных вариаций содержания CO2 являются изменения температуры, либо оба явления подвержены влиянию неизвестного метеорологического фактора.

 Обнаруженная связь двух параметров подтверждает давно высказанную идею, согласно которой рост температур должен приводить к тому, что поверхность суши и океана отдает часть накопленной ими CO2, что, в свою очередь, способствует новому потеплению.

 Научное прогнозирование предполагает ряд наблюдений, исторический материал, на основе которого можно выявить те или иные закономерности. В отличие от него обиходный прогноз представляет собой простую картину в будущее, перенесение современной ситуации вперед. Так, эпизодическое падение уровня Каспия до середины 70-х годов побудило лиц, принимающих решение, перенести предприятия ближе к побережью в ожидании еще большего падения в будущем. В результате современный подъем Каспия привел к много миллиардному ущербу.

 Парниковая модель климатических изменений, принимающая в качестве точки отсчета начало нынешнего века и предсказывающая современный уровень техногенного воздействия на атмосферу без учета других факторов, относится к прогнозам последнего типа. В отличие от нее, модели, опирающиеся на исторический материал, прогнозируют природные процессы, которым противостоять невозможно. К ним можно лишь приспособиться ценой больших или меньших потерь.

 Урок Каспия показывает, что хозяйственная система, не приспособленная к изменениям природной среды, терпит ущерб не только от негативных, но и от потенциально позитивных изменений, которые она не способна оперативно использовать. Повышение уровня моря могло бы помочь восстановлению утраченных нерестилищ. Потепление позволило бы сократить энергозатраты и повысить продуктивность зерновых. В действительности же любое изменение оборачивается катастрофой. Оптимальная стратегия, по-видимому, заключается не в стремлении любой ценой сохранить status guo, а в адаптации хозяйственной системы к циклическим природным процессам, которые можно прогнозировать на основе исторических данных.

 Известно, что в прошлом климат существенно отличался от современного и что природные климатические колебания происходили с определенной периодичностью, проявляющейся, в частности, как чередование ледниковых и межледниковых эпох. Последний ледниковый максимум датирован 18 тыс. лет назад, а мы живем в условиях межледниковья, начавшегося около 11 тыс. лет назад. На фоне этой периодичности происходят относительно кратковременные колебания, подобные малому климатическому оптимуму 1000 лет назад, малому ледниковому периоду 200-250 тыс. лет назад, и еще более мелкие вплоть до 4-5 и 2-х летних циклов. Это исторический материал, позволяющий прогнозировать аналогичные (хотя и не вполне идентичные) колебания в будущем. Точность прогноза зависит от качества информации о климатах прошлого, которое, как было признано на совещании “Климаты прошлого и климатический прогноз” (Москва, институт охраны природы и заповедного дела, 1992 г.), во многих случаях оставляет желать лучшего.

 Техногенные воздействия происходят не на статическом, а на динамическом фоне природных процессов. Около 1000 лет назад климат был теплее на 0,5°C. Есть ли основания приписывать современное потепление того же масштаба техногенным газам? По-видимому, нет, так как 40-60 годы, первый этап массовых выбросов CO2 ознаменовались заметным похолоданием. Резко возросшие техногенные выбросы 80-х по сверхточным спутниковым измерениям за десятилетие (1979-1988 гг.) не дали парникового эффекта.

 Модели парникового потепления, решая уравнения с множеством неизвестных, не принимают в расчет обратных связей между потеплением и реакцией планетарных систем атмосферы, биосферы и гидросферы – изменения облачности, продуктивности растительных сообществ, циркуляции биологических вод.

 Недавно обнаружена несомненная связь между содержанием CO2 в атмосфере и распространением аномально теплых поверхностных вод в Тихом океане, названное Эль-Ниньо, происходящим с периодичностью в 4-5 лет и вызывающим аномальные климатические явления – теплые зимы на Аляске, засухи в Африке – практически по всему шару. Оказалось, что в начале Эль-Ниньо концентрация CO2 уменьшается, а затем увеличивается, превышая техногенную добавку. Спад CO2 можно объяснить подавлением апвеллинга – подъема холодных глубинных вод, выделяющих CO2 в атмосферу, а пик – уменьшением растворимости CO2 при повышении температуры (альтернативный биологический механизм, предполагаемый Дж. Килингом и другими авторами, маловероятен, так как временной интервал колебаний CO2 недостаточен для ощутимой реакции биосферы).

 Дальнейшим подтверждением роли океанической циркуляции как основного регулятора содержания CO2 в атмосфере явились ряды наблюдений, показывающих не только хорошую корреляцию CO2 с температурой, но и запаздывание колебаний CO2 на 4 месяца по отношению к температуре поверхностных вод и на 1 месяц по отношению к температуре воздуха. Становится еще более очевидным, что в системе “CO2 – температура” ведущий фактор – температура, а не CO2 и что происходящее увеличение концентрации CO2 (включая техногенный источник) объясняется потеплением, а не наоборот. Эти данные не только вносят существенные коррективы в традиционные представления о роли океана в регуляции газового состава и поддержании теплового баланса атмосферы, но и приближают нас к общему объяснению климатических колебаний. Эль-Ниньо связаны с кратковременными изменениями скорости вращения Земли в результате гравитационных воздействий других небесных тел, которые служат пусковым механизмом волновых процессов в земных оболочках, включая Мировой океан и биосферу.

 Известно, что в смене климатических ситуаций ледникового периода выражены циклы прецессий, наклона эклиптики и эксцентриситета земной орбиты. Содержание CO2 в атмосфере геологического прошлого по пузырькам воздуха в льдах Антарктиды, проверенных на станции Восток, коррелирует с температурой ледниковых и межледниковых эпох. Эти данные были использованы для подтверждения парниковой модели. Однако и здесь возникает вопрос о причинах и следствиях. Поскольку техногенного источника не было, то остается биосфера, продуктивность которой в межледниковье возрастала (сток, а не приток CO2), и океан, повышение температуры которого, по-видимому и было основным источником CO2.

 Среди более отдаленных геологических периодов определенный интерес представляет меловой – 130 – 65 млн. лет назад. Постоянных полярных льдов в меловом периоде не было (хотя могли быть сезонные). Составленные фитоклиматические схемы дают представления о климатической зональности безледниковой планеты и позволяют сделать некоторые выводы прогнозного характера. Экваториальная зона примерно в современных границах отличалась сухостью и температурой ниже современной (крайний ксероморфизм растений, хвойные в низинных растительных формациях).

 Область преимущественного распространения жестколистных кустарниковых формаций, интерпретируемая как зона летне-сухого климата, простиралась до 50° с. ш. в Азии, и на западе Северной Америки. На атлантическом побережье ее северная граница поднималась до 60°. Данные по годичным кольцам прироста древесины и склеритам на чешуе рыб указывают на непродолжительный сухой сезон. Вместе с тем, к этой зоне приурочены самые крупные захоронения меловых динозавров, свидетельствующие о высокой продуктивности жестколистной растительности.

 Зона листопадных лесов простиралась далеко за полярный круг, по крайней мере до 80°с. ш. В ее пределах намечалась незначительная дифференциация по содержанию теплолюбивых компонентов, причем на полярных широтах снова возрастала роль вечнозеленных растений и, судя по количеству месторождений, численности динозавров, остатки которых известны на Шпицбергене, северной Камчатке, северном склоне Аляски.

 По общей продуктивности меловая растительность едва ли существенно отличалась от современной, так как слабая облесенность экваториальной зоны могла компенсироваться полярными лесами. Вместе с тем мощный вулканизм мелового периода, в десятки раз превышавший современную вулканическую активность, служил источником парниковых газов, не уступавшим техногенному.