В настоящее время проблема парникового эффекта является одним из наиболее глобальных экологических вопросов, стоящих перед человечеством. Суть этого явления состоит в том, что солнечное тепло остается у поверхности нашей планеты в виде оранжерейных газов.
Парниковый эффект обусловлен прозрачностью атмосферы для основной части излучения Солнца (в оптическом диапазоне) и поглощением атмосферой основной (инфракрасной) части теплового излучения поверхности планеты, нагретой Солнцем. В атмосфере Земли излучение поглощается молекулами Н2О, СО2, О3 и др. Парниковый эффект повышает среднюю температуру планеты, смягчает различия между дневными и ночными температурами. В результате антропогенных воздействий содержание СО2 (и других газов, поглощающих в инфракрасном диапазоне) в атмосфере Земли постепенно возрастает. Не исключено, что усиление парникового эффекта в результате этого процесса может привести к глобальным изменениям климата Земли.
В последние век-полтора содержание некоторых "парниковых" газов в атмосфере очень сильно выросло: углекислоты - более чем на треть, метана - в 2,5 раза. Появились и новые, ранее просто не существовавшие вещества с "парниковым" спектром поглощения - прежде всего хлор- и фтор углеводороды, в том числе пресловутые фреоны. Причину быстрого роста количества "парниковых" газов тоже долго искать не надо -это вся наша цивилизация, которая от костров первобытных охотников до современных газовых плит и автомобилей зиждется на быстром окислении соединений углерода, конечным продуктом которых и является СО2. С деятельностью человека связан и рост содержания метана (рисовые поля, скот, утечки из скважин и газопроводов) и окислов азота, не говоря уж о хлор органике.
Значительно усугубляют проблему некоторые другие (кроме CO2) газы, выбрасываемые человеком в атмосферу, особенно метан, хлорфторуглероды и оксиды азота, поглощающие инфракрасное излучение в 50-100 раз сильнее, чем углекислый газ. Следовательно, хотя их содержание в воздухе значительно ниже, они влияют на температурный режим планеты почти так же, как он.
Главной причиной парникового эффекта является попадание в атмосферу промышленных газов.
Парниковый эффект создают углекислый газ, оксид азота, метан, хлорфторуглероды.
Все эти газы – результат деятельности человека. Сжигание топлива, автомобильные выбросы, лесные пожары, работа промышленных предприятий и повсеместная индустриализация являются причинами потепления климата.
К очевидным причинам возникновения «парникового эффекта» можно отнести и сведение лесов, т. к. именно они чуть ли не единственные являются поглотителями углекислого газа.
Садоводы хорошо знакомы с этим физическим явлением, так как внутри парника всегда теплее, чем снаружи, и это помогает выращивать растения, особенно в холодное время года.
Вы можете почувствовать аналогичный эффект, когда находитесь в солнечный день в автомобиле. Причина его состоит в том, что солнечные лучи проходят через стекло вовнутрь парника, и их энергия поглощается растениями и всеми объектами, находящимися внутри. Затем эти же объекты, растения излучают свою энергию, но она уже не может проникнуть через стекло, поэтому температура внутри парника повышается.
Планета с устойчивой атмосферой, такая как Земля, испытывает практически такой же эффект. Чтобы поддерживать постоянную температуру, Земле необходимо самой излучать столько же энергии, сколько она получает. Атмосфера служит как бы стеклом в парнике.
Парниковый эффект впервые был обнаружен Жозефом Фурье в 1824 году и впервые был количественно исследован в 1896 г. Парниковый эффект — это процесс, при котором поглощение и испускание инфракрасного излучения атмосферными газами вызывает нагрев атмосферы и поверхности планеты.
Теплое одеяло Земли
На Земле основными парниковыми газами являются:
1) водяной пар (ответственен примерно за 36-70 % парникового эффекта);
2) углекислый газ (CO2) (9-26 %);
3) метан (CH4) (4-9 %);
4) озон (3-7 %).
Присутствие таких газов в атмосфере создает эффект укрывания Земли одеялом. Они позволяют сохранить тепло около поверхности более долгое время, поэтому поверхность Земли значительно теплее, чем была бы при отсутствии газов. Без атмосферы средняя температура поверхности составляла бы -20°С. Иными словами, в отсутствие парникового эффекта наша планета была бы необитаемой.
Самый сильный парниковый эффект
Парниковый эффект имеет место не только на Земле. В действительности самый сильный парниковый эффект, о котором мы знаем, - на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что мы избежали такой участи благодаря наличию на Земле океанов. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате мы наблюдаем на Венере неуправляемый парниковый эффект, который делает невозможной жизнь на этой планете.
На планете Венера наблюдается неуправляемый парниковый эффект, и с виду ласковые облака скрывают обжигающе горячую поверхность
Парниковый эффект был всегда
Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли, и высшие формы жизни не появились бы. По существу, не климат, а судьба жизни на Земле целиком зависит от того, останется некоторое количество углекислоты в атмосфере или исчезнет, и жизнь на Земле тогда прекратится. Парадоксально, но именно человечество может на некоторое время продлить жизнь на Земле, вернув в оборот хотя бы часть запасов углекислого газа из каменноугольных, нефтяных и газовых месторождений.
В настоящее время научные споры о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления: не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу тем самым сокращая количество кислорода в ней? Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов.
Проведем эксперимент
Попробуем показать результат действия увеличения углекислого газа на опыте.
Нальем в бутылку стакан уксуса и положим туда несколько кристалликов соды. Закрепим в пробке соломинку и закроем ею плотно бутылку. Поместим бутылку в широкий стакан, расставим вокруг неё зажженные свечки различной высоты. Свечи начнут гаснуть, начиная с самой короткой.
Почему это происходит? В стакане начинает собираться углекислый газ и вытесняться кислород. Также происходит на Земле, т. е. планета начинает испытывать недостаток кислорода.
Чем нам это грозит?
Итак, что является причинами парникового эффекта, мы разглядели. Но почему же все его так бояться? Рассмотрим его последствия:
1. Если температура на Земле будет продолжать повышаться, это окажет серьезнейшее действие 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 итоге чего людям и животным придется их покинуть.
4. Температура морей также повысится, что приведет к затоплению низинных областей побережья и к увеличению числа мощных штормов.
5. Сократятся жилые земли.
6. Если температура на Земле повысится, многие животные не сумеют приспособиться к климатическим изменениям. Многие растения погибнут от недостатка воды и животным придется переселиться в другие места в поисках пищи и воды. Если повышение температуры приведет к смерти многих растений, то вслед за ними вымрут и многие виды животных.
7. Изменение температуры плохо сказывается на здоровье людей.
8. Не считая отрицательных последствий глобального потепления, можно отметить и положительное последствие. Глобальное потепление сделает лучше климат России. На первый взгляд более теплый климат представляется благом. Но возможный выигрыш может быть уничтожен вредом от болезней, вызванных вредными насекомыми, поскольку повышение температуры ускорит их размножение. Земли в неких областях России окажутся малопригодными для проживания
Пора действовать!
Угольные электростанции, автомобильные выхлопы, заводские трубы и другие созданные человечеством источники загрязнения вместе выбрасывают в атмосферу около 22 миллиардов тонн углекислого газа и других парниковых газов в год. Животноводство, применение удобрений, сжигание угля и другие источники дают около 250 миллионов тонн метана в год. Около половины всех парниковых газов, выброшенных человечеством, осталось в атмосфере. Около трёх четвертей всех выбросов парниковых газов за последние 20 лет вызваны использованием нефти, природного газа и угля. Бо́льшая часть остального вызвана изменениями ландшафта, в первую очередь вырубкой лесов
Деятельность человека приводит к повышению концентрации парниковых газов в атмосфере.
Но наступает пора столь же целеустремленно поработать и над тем, как отдать природе то, что мы у нее забираем. Человек способен решить и эту грандиозную задачку и срочно начать действовать по защите нашей Земли:
1. Восстановление почвенного и растительного покрова.
2. Уменьшение потребление ископаемого топлива.
3. Шире употреблять водную, ветровую, солнечную энергию.
4. Вести борьбу с загрязнением атмосферы.
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.
Средняя температура поверхности Земли (или другой планеты) повышается за счет наличия у нее атмосферы.
Садоводы хорошо знакомы с этим физическим явлением. Внутри парника всегда теплее, чем снаружи, и это помогает выращивать растения, особенно в холодное время года. Вы можете почувствовать аналогичный эффект, когда находитесь в автомобиле. Причина его состоит в том, что Солнце с температурой поверхности около 5000°С излучает главным образом видимый свет — часть электромагнитного спектра , к которой чувствительны наши глаза. Поскольку атмосфера в значительной степени прозрачна для видимого света, солнечное излучение легко проникает к поверхности Земли. Стекло также прозрачно для видимого света, так что солнечные лучи проходят внутрь парника, и их энергия поглощается растениями и всеми объектами, находящимися внутри. Далее, согласно закону Стефана—Больцмана , каждый объект излучает энергию в какой-либо части электромагнитного спектра. Объекты с температурой около 15°С — средней температурой у поверхности Земли — излучают энергию в инфракрасном диапазоне. Таким образом, объекты в парнике испускают инфракрасное излучение. Однако инфракрасное излучение не может легко проходить сквозь стекло, поэтому температура внутри парника повышается.
Планета с устойчивой атмосферой, такая как Земля, испытывает практически такой же эффект — в глобальном масштабе. Чтобы поддерживать постоянную температуру, Земле необходимо самой излучать столько же энергии, сколько она поглощает из видимого света, излучаемого в нашу сторону Солнцем. Атмосфера служит как бы стеклом в парнике — она не столь прозрачна для инфракрасного излучения, как для солнечного света. Молекулы различных веществ в атмосфере (важнейшие из них — углекислый газ и вода) поглощают инфракрасное излучение, действуя как парниковые газы . Таким образом, инфракрасные фотоны, излучаемые земной поверхностью, не всегда уходят прямо в космос. Некоторые из них поглощаются молекулами парниковых газов в атмосфере. Когда эти молекулы вторично излучают энергию, которую они поглотили, они могут излучать ее как в сторону космоса, так и внутрь, обратно к поверхности Земли. Присутствие таких газов в атмосфере создает эффект укрывания Земли одеялом. Они не могут прекратить утечку тепла наружу, но позволяют сохранить тепло около поверхности более долгое время, поэтому поверхность Земли значительно теплее, чем была бы в отсутствие газов. Без атмосферы средняя температура поверхности составляла бы —20°С, что намного ниже точки замерзания воды.
Важно понимать, что парниковый эффект на Земле был всегда. Без парникового эффекта, обусловленного наличием углекислого газа в атмосфере, океаны давно бы замерзли, и высшие формы жизни не появились бы. В настоящее время научные дебаты о парниковом эффекте идут по вопросу глобального потепления : не слишком ли мы, люди, нарушаем энергетический баланс планеты в результате сжигания ископаемых видов топлива и прочей хозяйственной деятельности, добавляя при этом излишнее количество углекислого газа в атмосферу? Сегодня ученые сходятся во мнении, что мы ответственны за повышение естественного парникового эффекта на несколько градусов.
Парниковый эффект имеет место не только на Земле. В действительности самый сильный парниковый эффект, о котором мы знаем, — на соседней планете, Венере. Атмосфера Венеры почти целиком состоит из углекислого газа, и в результате поверхность планеты разогрета до 475°С. Климатологи полагают, что мы избежали такой участи благодаря наличию на Земле океанов. Океаны поглощают атмосферный углерод, и он накапливается в горных породах, таких как известняк — посредством этого углекислый газ удаляется из атмосферы. На Венере нет океанов, и весь углекислый газ, который выбрасывают в атмосферу вулканы, там и остается. В результате мы наблюдаем на Венере неуправляемый парниковый эффект.
Парниковый эффект – это повышение температуры поверхности земли по причине нагрева нижних слоев атмосферы скоплением парниковых газов. В результате температура воздуха больше, чем должна быть, а это приводит к таким необратимым последствиям, как климатические изменения и глобальное потепление . Несколько веков назад этаэкологическая проблема существовала, но не была такой явной. С развитием технологий с каждым годом увеличивается количество источников, которые обеспечивают парниковый эффект в атмосфере.
Причины парникового эффекта
использование горючих полезных ископаемых в промышленности – угля, нефти, природного газа, при сжигании которых в атмосферу выделяется огромное количество углекислого газа и других вредных соединений;
транспорт – легковые и грузовые автомобили выделяют выхлопные газы, которые также загрязняют воздух и усиливают парниковый эффект;
вырубка лесов, которые поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а с уничтожением каждого дерева на планете увеличивается количество СО2 в воздухе;
лесные пожары – еще один источник уничтожения растений на планете;
увеличение населения влияет на возрастание спроса продуктов питания, одежды, жилища, и чтобы это обеспечить, растет промышленное производство, которое все интенсивнее загрязняет воздух парниковыми газами;
агрохимия и удобрения содержат различное количество соединений, в результате испарения которых выделяется азот – один из парниковых газов;
разложение и горение мусора на полигонах способствуют увеличению парниковых газов.
Влияние парникового эффекта на климат
Рассматривая результаты парникового эффекта, можно определить, что основной из них – это климатические изменения. Поскольку ежегодно возрастает температура воздуха, воды морей и океанов интенсивнее испаряются. Некоторые ученые прогнозируют, что через 200 лет станет заметным такое явление, как «высыхание» океанов, а именно значительное понижение уровня воды. Это одна сторона проблемы. Другая же заключается в том, что повышение температуры приводит к таянию ледников, что способствует повышению уровня вод Мирового океана, и приводит к затоплению берегов континентов и островов. Увеличение количества потопов и затопления прибережных районов свидетельствует о том, что уровень океанических вод с каждым годом увеличивается.
Повышение температуры воздуха приводит к тому, что территории, которые мало увлажняются атмосферными осадками, становятся засушливыми и непригодными для жизни. Здесь гибнут урожаи, что приводит к продовольственному кризису населения данной местности. Также животным не находится пропитания, поскольку из-за недостатка воды вымирают растения.
В первую очередь нужно прекратить вырубку лесов, сажать новые деревья и кустарники, поскольку они поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород. Используя электромобили, сократится количество выхлопных газов. Кроме того, можно с машин пересаживаться на велосипеды, что удобней, дешевле и безопасней для экологии. Также ведутся разработки альтернативного топлива, которое, к сожалению, медленными темпами внедряется в нашу повседневную жизнь.
19. Озоновый слой: значение, состав, возможные причины его разрушения, принимаемые меры защиты.
Озоновый слой Земли – это область атмосферы Земли, в которой образуется озон – газ, защищающий нашу планету от губительного воздействия ультрафиолетового излучения.
Разрушение и истощение озонового слоя Земли.
Озоновый слой, несмотря на огромное значение для всего живого, является очень хрупкой преградой на пути ультрафиолетовых лучей. Его целостность зависит от ряда условий, но природа все-таки пришла к равновесию в этом вопросе, и многие миллионы лет озоновый слой Земли благополучно справлялся с возложенной на него миссией. Процессы образования и разрушения озонового слоя были строго сбалансированы, пока на планете не появился человек и в своем развитии не достиг нынешнего технического уровня.
В 70-х гг. двадцатого столетия было доказано, что многие вещества, активно используемые человеком в хозяйственной деятельности, могут существенно снизить уровень озона в атмосфере Земли .
К веществам, разрушающим озоновый слой Земли, относятся фторхлоруглероды - фреоны (газы, используемые в аэрозолях и холодильниках, состоящие из атомов хлора, фтора и углерода), продукты сгорания при полетах высотной авиации и запусках ракет, т.е. вещества, молекулы которых содержат хлор или бром.
Эти вещества, выпущенные в атмосферу у поверхности Земли, за 10-20 лет достигают верхней границы озонового слоя . Там под воздействием ультрафиолетового излучения они распадаются, образуя хлор и бром, которые, в свою очередь, взаимодействуя со стратосферным озоном, существенно уменьшают его количество.
Причины разрушения и истощения озонового слоя Земли.
Рассмотрим еще раз более подробно причины разрушения озонового слоя Земли. При этом естественный распад молекул озона мы рассматирвать не будем.Сосредоточимся на хозяйственной деятельности человека.
