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 (б=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 = уТс 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:

уT3 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/у4 - 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 | 10

років | 10

років | 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