Главная ?> Повестка дня ?> Геоклимат ?> Влияние человека? ?> Глобальное потепление: кто виноват?
Н. Ясаманов

Глобальное потепление: кто виноват?

С глубокой древности люди внимательно следят за состоянием погоды и пытаются различными способами осуществить прогноз хотя бы на ближайшее будущее, а лучше на сезон вперед. Иногда эти попытки бывают удачными, особенно когда это касается краткосрочных прогнозов, но долгосрочные прогнозы чаще не подтверждаются.

Значительно сложнее, чем с погодными, обстоит дело с климатическими прогнозами. Чтобы предсказать климат на Земле в целом или на какой-то ее территории на ближайшие годы или десятилетия, необходимо не только знать так называемые климатообразующие факторы, которые характеризуются определенными метеорологическими элементами, но и рассматривать климат как результат взаимодействия различных факторов. Для правильного прогноза будущего климата надо знать, каким он был в прошлом — как несколько столетий или тысячелетий назад, так и в давние геологические эпохи. Тогда при создании климатических сценариев будущего для оценки состояния природной среды можно использовать уже некогда существовавшие природные ландшафты и сравнивать их с современным, а не создавать заново умозрительные модели.

Климаты прошлого

Информация о климатах прошлого надежно сохранена в геологических документах — в земных слоях в форме минералов и горных пород, а также в заключенных в них ископаемых организмах в виде окаменевших скелетов и раковин. В настоящее время, основываясь на многократно проверенных объективных геологических и геохимических данных и используя физико-химические методы исследований, удается охарактеризовать древние климаты примерно на таком же уровне, как это делается для климата современной эпохи. Начиная с далекого архейского зона, то есть отрезка времени, отстоящего от современного на 2.5-3 млрд. лет, по мере приближения к современной эпохе характеристики климатов расшифровываются со все возрастающей полнотой и достоверностью. Сегодня удается не только дать их характеристики на качественном уровне, но и получить абсолютные значения температур, влажности и количества атмосферных осадков, начиная с 2-2.5 млрд. лет.

За время существования нашей планеты на Земле было по крайней мере шесть глобальных оледенений. Они произошли в самом начале протерозойского зона, то есть около 2.5 млрд. лет назад, в рифейское время (850 и 650 млн. лет назад), в конце ордовика (450 млн. лет назад), и конце каменноугольного периода (280 млн. лет назад) и в четвертичном периоде. Четвертичное оледенение началось в самом конце палеогеновой и завершилось в начале голоценовой эпохи, около 15 тыс. лет назад. С тех пор климат менялся в сторону то потепления, то некоторого похолодания, но существенных изменений в ту или иную сторону за прошедшие тысячелетия не наблюдалось.

В ледниковые эпохи средние глобальные температуры на Земле опускались до 8-~ 10°С (современная средняя глобальная температура составляет примерно 14°С). Во время оледенений ледники находились не только в полярных и приполярных районах, но и спускались до широты 40-45°. Тропический и субтропический климаты в это время были характерны только для весьма узкой полосы, охватывающей приэкваториальные широты.

Однако более длительное время, чем оледенения, на Земле господствовали очень теплые климаты. Средние температуры в это время превышали 20- 22°С. На полюсах не только отсутствовали ледяные шапки, но и была растительность, иногда вечнозеленая. В приполярных морях жили теплолюбивые организмы, а на суше далеко за Полярным кругом располагались лесные массивы. В эоценовую эпоху (50-55 млн. лет назад) на месте Северного Ледовитого океана располагалось такое же теплое море, как и современное Черное. На Шпицбергене, островах Канадского Арктического архипелага, Новой Земле росли хвойно-широколиственные леса с примесью вечнозеленых форм. В геологических слоях, возникших в это время, обнаружены отпечатки теплолюбивых растений, найдено множество окаменевших плодов и листьев широколиственных деревьев, скелеты крокодилов и змей. Все это свидетельствует о том, что далеко за Полярным кругом 50-55 млн. лет назад было так же тепло, как и в областях современного субтропического или ослабленного тропического климата, которые в настоящее время располагаются в северном полушарии южнее 40° с.ш.

Как известно, в четвертичном периоде эпохи, когда мощные ледники покрывали значительные территории Западной и Восточной Европы и Северной Америки, периодически сменялись межледниковьями. В одно из них, в микулинское межледниковье, около 125 тыс. лет назад, Северный Ледовитый океан покрывался льдом только в зимнее время. На территории Европейской России было намного теплее, чем сейчас, а тундровых и лесотундровых ландшафтов вообще не существовало. Они возникали и расширялись далеко на юг только во время наступления четвертичных ледниковых эпох. Место смешанных лесов занимали дубово-грабовые и дубово-липовые леса. Границы лесостепей находились значительно севернее современных, а на юге европейской части России располагались степи и полупустыни.

 

Рисунок №1
Изменение средних температур в умеренных широтах северного полушария на протяжении четвертичного периода (14°С — средние глобальные температуры, 4°С — средние температуры в умеренных широтах. Межледниковые эпохи — Сандомирская, Лихвинская, Микулинская. Оледенения: Дунайское, Окское, Днепровско-Московское и Валдайское).

Сегодня геологи обладают достоверными и достаточно полными сведениями о климатах четвертичного периода, который в целом считается холодным. Всего за 1.5 млн. лет ледниковые эпохи по крайней мере четырежды сменялись межледниковьями (рис. 1).

Причины климатических изменений

Что же послужило причиной таких кардинальных смен природных условий? Если точно установить ее, станет легче не только понять, почему меняются климаты в современную эпоху, но и дать более или менее достоверный прогноз на ближайшее и отдаленное будущее. Первое, что напрашивается в качестве одной из причин климатических колебаний, — периодическое изменение положения Земли в космическом пространстве и в связи с этим неравномерное поступление солнечной энергии. Установил это югославский ученый Е. Миланкович, и его расчеты впоследствии были подтверждены многими аналитическими и модельными работами. Это лишь одна из причин, и она оказывает влияние только на сравнительно долгосрочные климатические изменения в течение десятков тысяч лет.

Второй немаловажной причиной климатических изменений является сама атмосфера, ее прозрачность и концентрация в ней парниковых газов. Ведь она пропускает не всю солнечную радиацию. Часть ее рассеивается, часть отражается обратно в космическое пространство, и лишь около 44% солнечных лучей коротковолновой части спектра достигает земной поверхности. Благодаря наличию озона атмосфера задерживает ультрафиолетовую радиацию.

На ранних этапах развития Земли в атмосфере полностью отсутствовали кислород и азот. Она была представлена углекислым газом, парами воды, метаном, аммиаком, водородом и парами кислот. По прошествии первого миллиарда лет с рождения Земли в атмосфере главенствующее положение еще занимал углекислый газ, но все возрастающую роль стали играть свободный азот и кислород. Около 650-570 млн. лет тому назад содержание кислорода приблизилось к современным значениям. В это же время возник озоновый экран. Благодаря ему стала возможной жизнь на суше, так как этот экран с течением времени все надежнее защищал живые существа от ультрафиолетового излучения. Заселение суши началось около 450-500 млн. лет назад.

Парниковый эффект

В 1894 г. французский физик Ферье ввел в научную литературу термин "парниковый эффект атмосферы". На рубеже XIX и XX столетий шведский ученый Сванте Аррениус (в 20-е гг. XX столетия он был избран. иностранным почетным членом Академии наук СССР) показал важнейшую роль углекислого газа и паров воды в тепловом режиме атмосферы. Проведенные впоследствии расчеты показали, что увеличение количества углекислого газа в атмосфере в 2-3 раза способно повысить температуру приземных слоев воздуха на 8-9°С, а его уменьшение на 40% снижает среднюю глобальную температуру на 4-5°С.

После того, как академик Александр Борисович Ронов количественно определил концентрацию углекислоты в составе атмосферы в различные эпохи геологического прошлого, а автором настоящей статьи была установлена средняя глобальная температура земной поверхности, показано ее изменение в течение последних 600 млн. лет, а также дана их сравнительная характеристика (эти работы были проведены в 80-90-е гг. XX столетия), удалось доказать полное соответствие изменения концентрации СO2 в течение определенного времени и средних глобальных температур. Это свидетельствовало о том, что рост температур в определенной мере определялся содержанием в атмосфере углекислоты. В те эпохи, когда на Земле снижались температуры и вследствие этого на полюсах возникали ледниковые шапки, концентрация углекислого газа в атмосфере уменьшалась примерно до той же величины, что и в современную эпоху.

Таким образом, проведенные на геологическом материале исследования показали, что парниковый эффект, связанный с колебаниями концентрации атмосферной углекислоты, действовал и в геологическом прошлом. Однако, несмотря на такие совпадения, оставались и определенные сомнения в однозначности вывода. Уж очень стремительно и масштабно менялись температуры на земной поверхности. В связи с этим возникло и сомнение в единоличной роли углекислого газа в парниковом эффекте.

Сегодня можно сказать, что взаимоотношения между содержанием атмосферной углекислоты и приземными температурами носят значительно более сложный характер. Определенным буфером в этом выступает Мировой океан. Чем выше температуры и чем больше углекислоты в атмосфере, тем больше ее растворяется в водах Мирового океана. Там растворено около 140 трлн. т CO2 . В водах морей и океанов его примерно в 60 раз больше, чем в атмосфере. При этом соблюдается определенное равновесие между содержанием CO2 в Мировом океане и в атмосфере. При повышении температуры морской воды растворимость СО2 возрастает, и часть его переходит в воды Мирового океана. Можно сказать, что в определенной мере Мировой океан служит регулятором приземных температур.

Прогноз глобального потепления

В середине 60-х гг. XX столетия стали появляться сведения о будущем глобальном потеплении. Сразу же развернулись ожесточенные дискуссии противников и сторонников такого прогноза. Весьма глубоко и всесторонне разработал эту проблему академик Михаил Иванович Будыко. Он первым обратил внимание на антропогенные причины изменения климата, указал на связь антропогенных выбросов углекислоты в атмосферу и на основании расчетов теплового баланса предсказал глобальное потепление. Основываясь на данных о скоростях проникновения в атмосферу углекислого газа и всесторонне выяснив роль антропогенеза в возникновении углекислого газа, М.И. Будыко дал обоснованные прогнозы изменения приземных температур на ближайшие десятилетия XXI века. По его мнению, главной причиной увеличения концентрации углекислоты в атмосфере стал рост масштаба сжигания ископаемого топлива, особенно в последние десятилетия.

Согласно прогнозу М.И. Будыко, сделанному в начале 70-х гг. XX века, считается, что за 120 лет температура воздуха должна повыситься почти на 2.5°С. При этом концентрация углекислого газа увеличится примерно в два раза. В этом же прогнозе был сделан вывод, что предстоящее потепление приведет к уменьшению количества атмосферных осадков, выпадающих в ряде областей средних широт, и что повышение температур обусловит сокращение площади морских полярных льдов, а значит, вызовет катастрофический подъем уровня Мирового океана. После этого как отдельными исследователями, так и крупными научными коллективами было сделано довольно много расчетов ожидаемых изменений климата. Результаты большинства их в той или иной мере совпадали с расчетными данными М.И. Будыко.

В связи с опасениями изменения природной среды, повышения уровня Мирового океана из-за продолжающегося глобального потепления, международное сообщество, особенно после состоявшейся в 1997 г. конференции в Киото, начало поиск мер, стимулирующих сокращение потребления минерального топлива. Однако, несмотря на реально подтверждаемые прогнозы температурных изменений, все чаще стали появляться работы, где не только опровергаются прогнозные цифры, но и считается неправильной и даже вредной сама идея глобального потепления. Некоторые из них носят явно заказной характер, хотя на первый взгляд как будто основываются на всесторонней разработке теории парникового эффекта.

Сомнения эти связаны с тем обстоятельством, что не только углекислый газ участвует в создании парникового эффекта. По мнению этих авторов, парниковая роль СО2 не так уж велика. В действительности, кроме атмосферной углекислоты, в создании парникового эффекта принимают участие пары воды и метан. Однако до сих однозначно не определено, какое воздействие оказывают они совместно на парниковый эффект.

Только ли углекислый газ?

При рассмотрении проблемы потепления и парникового эффекта за пределами внимания исследователей долгое время оставалась роль других парниковых газов. Это было связано с трудностью расчетов и реального их выявления в атмосфере. Согласно существующим представлениям, роль каждого из них неоднозначна. Как показывают расчеты, пары воды увеличивают температуру на 20.6 К, СО2 — на 7.2 К, СН4 — на 4-6 К, а фреоны — всего на 0.8 К. Таким образом, величина парникового эффекта газообразных примесей атмосферы составляет от 33 до 34.6 К. Если бы в атмосфере не присутствовали парниковые газы, средняя глобальная температура земной поверхности составляла бы минус 18-20°С.

Обращает на себя внимание высокая степень парниковой эффективности метана. И это при том, что его содержание в современной атмосфере на два порядка меньше, чем остальных газов.

Присутствие в атмосфере такого мощного парникового газа, как водяной пар регламентируется средними температурами, устанавливаемыми солнечной радиацией. Чем выше температура, тем больше в атмосфере содержится паров воды. Существует и определенный баланс концентрации углекислоты в атмосфере и гидросфере. Избыток атмосферной углекислоты растворяется в Мировом океане. Она участвует в биогеохимическом цикле, усваивается организмами, а в конце концов откладывается в донных осадках. На суше избыток углекислоты также откладывается при образовании лессов в соответствующих континентальных ландшафтах. Недостаточно понятно распределение в атмосфере природного, возникающего при вулканических извержениях и процессах выветривания, и антропогенного СОг. Ведь углекислый газ существенно тяжелее воздуха, и он не способен достаточно быстро даже с восходящими теплыми потоками воздуха подняться на высоту 10-15 км. И только метан, попадая в атмосферу в приземных условиях, не преобразуется, не усваивается организмами, не переходит в осадок и не уходит обратно в недра Земли, а благодаря своей легкости и подвижности быстро поднимается в стратосферу. Под действием солнечной радиации он разлагается и преобразуется в водород, участвует в образовании паров воды и углекислоты. Водород удаляется в стратосферу, по пути разлагая озон, а пары воды и метана на границе тропосферы и стратосферы образуют так называемые серебристые облака.

Каким образом, откуда и в каких количествах в атмосферу поступает метан? Во-первых, при вулканических извержениях. Общая интенсивность наземных извержений ежегодно составляет (3-8)•1015 -3•1017 г. Подводные вулканы, особенно там, где происходит растяжение земной коры, а именно вдоль рифтовых областей срединно-океанских хребтов, выбрасывают около 5•1013 г СН4 . Определенная, правда, небольшая, часть СН4 выбрасывается в атмосферу из континентальных рифтов Восточной Африки и Байкала. Это означает, что ежегодно при наземных и подземных извержениях в атмосферу выбрасывается около (5- 9)•1015 г СН4 . Следовательно, чем интенсивнее вулканическая активность, тем больше метана поступает в атмосферу. Косвенно подтверждают такой вывод геологические данные. Эпохи интенсивного вулканизма, особенно подводного, океанского и континентального рифтообразования совпадают с очень теплыми эпохами в истории Земли. Наземный вулканизм, в отличие от подводного, вносит определенные коррективы в тепловой баланс атмосферы. Во время подводных извержений в атмосферу поступают только СН4 и СО2 , в то время как при наземных извержениях в атмосферу выбрасываются еще и пары воды, а также мельчайшие частицы силикатной пыли — пепел. Последние оказывают противоположное влияние на распределение солнечной радиации, увеличивая отражательную способность (альбедо) атмосферы и тем самым как бы уравновешивая действие парниковых газов. При подводных извержениях до атмосферы доходят не все газовые составляющие. Парадокс заключается в том, что практически весь углекислый газ, выделяющийся при подводных вулканических извержениях, растворяется в водах Мирового океана. Он крайне необходим для жизнедеятельности организмов, пары воды конденсируются, а весь твердый пепловый материал оседает на морском дне. И только метан удаляется в атмосферу.

Метан выделяется не только при подводных извержениях, но и при субдукции, то есть в областях столкновения литосферных плит, когда происходит затягивание океанских осадков вместе с литосферной плитой под более жесткие и тяжелые литосферные плиты. Вместе с рыхлыми осадками в земные недра затягивается много органического вещества, преобразование которого протекает под действием высоких давлений и температур на глубинах в десятки и сотни километров под дном океана. Этот процесс, протекающий в восстановительных условиях при отсутствии кислорода,приводит к возникновению метана. Согласно расчетным данным, из океанов в атмосферу поступает от 1•1014 до 1•1015 г метана в год, а во время сильных подводных извержений его количество еще более увеличивается. Необходимо отметить и такие источники метана, как подводные и наземные грязевые вулканы.

Важный источник поступления метана в атмосферу — озерно-болотные системы, занимающие огромную территорию (общая площадь болот составляет 2 млн. км2 ) и тундровые ландшафты. Свою долю в поставке метана в атмосферу вносят мангровые заросли и леса, которые являются своеобразными болотами на побережьях тропических морей. Из озерно-болотных систем ежегодно в атмосферу поступают от 5•1013 до 7•1014 г метана, из тундровых ландшафтов — около 4•1013 г метана. В данных расчетах не учтена доля летучих углеводородов, образующихся при эвтрофикации озер и водохранилищ, хотя количество метана такого происхождения весьма значительно. Приблизительные подсчеты показывают, что в процессе гниения в восстановительных условиях доля выделившегося метана после эвтрофикации водоемов может достигать порядка 1013 г.

Свою долю в образование углеводородов вносят и некоторые другие экосистемы. Анаэробные микроорганизмы в кишечнике жвачных животных, способствующие перевариванию пищи, вырабатывают метан. В результате этого процесса, получившего название кишечной ферментации, в атмосферу ежегодно попадает от 2•1013 до 2•1014 г метана. Особенно много метана выделяют в атмосферу растительноядные животные — около 8•1013 г.

Метан имеется в криолитозоне, или в области развития многолетнемерзлых грунтов. В слое мерзлого грунта имеется избыток замороженного органического вещества, способного разлагаться. Особенно энергично этот процесс происходит в летние месяцы. Ниже слоя многолетнемерзлых грунтов, на глубинах от 2-5 до сотен метров (в зависимости от толщины мерзлого грунта и пород) и в далеких от берегов зонах Арктики находятся твердые вещества, представляющие собой соединение кристаллов воды и поглощенного под давлением газообразного метана. Запас метана в гидроксидах огромен. Из перечисленных природных источников ежегодно в атмосферу поступает около (2-3)•1015 г метана.

Кроме того, метан медленно фильтруется в районах близкого расположения к земной поверхности нефтегазовых месторождений. Общее количество такого метана подсчитать в настоящее время не представляется возможным, но вклад этого природного источника метана значителен.

Вместе с тем большое количество метана выделяется в атмосферу в процессе добычи, транспортировки и переработки минерального топлива: нефти, газа, угля, а также при складировании пустой породы вблизи шахт в виде терриконов, а у открытых разрезов и карьеров — в виде отвалов. Этот довольно крупный источник СН4 не учитывался.

Немаловажная роль в постепенном увеличении доли легких углеводородов в атмосфере принадлежит хозяйственной деятельности человека. Метан и другие углеводороды выделяются при неполном сгорании моторного топлива и при сжигании мазута на тепловых электростанциях. На земную поверхность метан просачивается из глубоких недр при угледобыче. Известно, что во всех подземных взрывах во время добычи угля повинен метан. Взрыв в шахте происходит, когда концентрация метана в подземных галереях достигает критического уровня. Чтобы этого не допустить, в шахтах работают вентиляционные установки, которые выносят на земную поверхность метан, выделяющийся из угольных пластов.

В огромных объемах метан и другие легкие углеводороды выделяются в процессе добычи нефти и особенно газов. Лишь небольшая доля попутного газа сжигается при разведочном и поисковом бурении на нефть и газ. К этому надо добавить и медленное просачивание горючих газов не только в районах месторождений, но и во время транспортировки (газопроводы, цистерны, танкеры). Особенно много метана и других углеводородов может улетать в воздушное пространство во время переработки нефти на нефтехимических предприятиях. Примерный подсчет показывает, что только при нефте- и газодобыче, транспортировке и переработке жидких и газообразных горючих полезных ископаемых в атмосферу выбрасывается не менее (2-9)•1014 г метана, что сопоставимо с природными выбросами этого газа.

К этому надо добавить, что при утилизации отходов продуктов человеческой жизнедеятельности и промышленного производства из промышленных и бытовых свалок в атмосферу мигрирует (7-9)•1013 г CH4 ".

Особенно много CH4 выделяется в результате сельскохозяйственной деятельности человека. Большое количество метана образуется при разложении навоза. А рисовые поля фактически являются болотами искусственного происхождения. Только они ежегодно дают до 5•1015 r CH4 .

Таким образом, в результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу Земли ежегодно поступает (1-2)•1015 г СН4 . При этом уровень антропогенного добавления в атмосферу метана не только сопоставим с природным, но и в ряде случаев оказывается даже выше.

 

Рисунок №2
Рост содержания в атмосфере метана природного и антропогенного происхождения.

Если обратиться к прошлым геологическим периодам, когда при отсутствии человека поступление метана в атмосферу регулировалось исключительно природными факторами, то происходившие изменения климата вполне реально объяснить разной скоростью обогащения атмосферы метаном. Однако надо учитывать, что в глобальных климатических изменениях парниковый эффект, независимо от того, какими бы газами он ни был вызван и с какой бы скоростью ни протекал, всегда действовал совместно с климатробразующими факторами. В этом случае воздействие парникового эффекта на температуру Земли всегда оказывалось меньшим, чем влияние других природных причин. Вместе с тем, как правило, эпохи обильного накопления углеродистого вещества в земных недрах всегда являются самыми теплыми в истории Земли. Это ранне- и среднекаменноугольное время, юрский и меловой периоды, эоценовая эпоха и т.д. Эти же эпохи относятся ко времени необычайно широкого развития органического мира. А значит, в эти эпохи в атмосферу выделялось значительное количество метана. Но если рассматривать роль парниковых газов, и метана в том числе, при стабильно существующих других глобальных климатообразующих факторах: неизменных объемах Мирового океана, постоянном притоке солнечной энергии, одинаковой прозрачности атмосферы, неизменности альбедо атмосферы и земной поверхности и т.д., и к тому же за сравнительно короткий отрезок времени, то оказывается, что значительное поступление метана в атмосферу, какими бы причинами оно ни было вызвано, способно привести к существенному повышению средней глобальной температуры воздуха. А тем более, если количество этого парникового газа увеличивается в ходе хозяйственной деятельности вместе с антропогенной углекислотой.

Сказанное означает, что в результате хозяйственной деятельности при продолжающемся возрастании в атмосфере антропогенной углекислоты, как это предсказано нашими учеными и в действительности наблюдается в течение последних 25-30 лет, надо учитывать и поступление антропогенного метана, которое постоянно растет (рис. 2). Совместное присутствие углекислого газа и метана в атмосфере приводит к повышению средней глобальной температуры. Поэтому можно утверждать, что в ближайшие годы потепление не замедлится, а, наоборот, будет нарастать.

 

Источник: "Энергия" 2002 г., №10. С. 17-24.

Актуальная репликаО Русском АрхипелагеПоискКарта сайтаПроектыИзданияАвторыГлоссарийСобытия сайта
Developed by Yar Kravtsov Copyright © 2020 Русский архипелаг. Все права защищены.