Студенту

 

2 ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ

Молекулы некоторых веществ обладают способностью пропускать коротковолновое излучение и поглощать длинно­волновое (инфракрасное). Таким свойством обладают трех­атомные молекулы водяного пара, углекислого газа и крем­незема, из которого производится стекло. Этот эффект полу­чил название парникового, или тепличного. Весьма небольшое количество углекислого газа в атмосфе­ре (0,03 %) задерживает до 18 % теплового излучения Земли, что удерживает среднюю температуру на нашей планете на до­вольно высоком уровне (Лосев, 1985). Естественно, что повышение концен­трации СО2 должно увеличить количество задерживаемого тепла и привести к повышению температуры.
Обсуждение проблемы глобального изменения температуры приземного слоя Земли целесообразно при отделении антропогенных изменений от естественной цикличности климата и состава атмосферы, т.е. необходимо идентифицировать антропогенный «сигнал», отделив его от сопутствующего «шума» естественной климатической изменчивости.
Естественный парниковый эффект поддерживает атмосферу Земли в состоянии теплового баланса, благоприятного для существования животных и растений. Биота же и является естественным регулятором температуры, поскольку может испускать или поглощать С02 благодаря сложному механизму обратных связей, который формировался и "настраивался" в течение миллионов лет. Антропогенный парниковый эффект, наоборот, нарушает сложившийся тепловой баланс в системе атмосфера-гидросфера-литосфера, и может привести поэтому к катастрофическому повышению температуры Земли.
Причиной антропогенного парникового эффекта является увеличение содержания в атмосфере ряда газов (в т.ч. углекислого) и паров воды.
Впервые серьезное внимание к проблеме глобального потепления климата было привлечено в конце 50-х годов, когда в США и странах Европы были начаты специальные исследования в этой области. Обобщая накопленные к настоящему времени результаты, можно отметить ряд твердо установленных фактов и тенденций. На протяжении последних 200 лет содержание углекислого газа (СО2) в атмосфере Земли стабильно нарастает: если в доиндустриальную эпоху оно не превышало 280 объемных частей на миллион (ppm), то сегодня достигает 365 ppm и имеет тенденцию к росту приблизительно на 1.5 ppm/год (Technical Summary Working Group I Report, 2001). Концентрация углекислого газа в атмосфере достигла самого высокого уровня за последние 420 тыс. лет (и, возможно, за последние 20 млн. лет), о чем свидетельствуют данные ледяных кернов  Концентрация СО2 в атмосфере, измеряемая в лабораториях, расположенных в далеких от индустриальных центров районах, выросла на 13% с 1960 по 1995 г. Увеличение средней температуры на поверхности Земли принято считать следствием этого процесса (Инноземцев, 2002).
Рост концентрации СО2 за последние 20 лет примерно на две трети обусловлен выбросами в атмосферу продуктов сжигания ископаемых топлив (остальное приходится на долю результатов сведения лесов и, в меньшей степени, выбросов цементной промышленности) (таблица 2.1). К концу 1999 г. в США выбросы СО2 на 12% превысили уровень 1990 г., а их дальнейшее возрастание должно к 2008 г. увеличить эту цифру еще на 10% (Victor, 2001).

Таблица 2.1- Изменение концентрации парниковых газов  атмосфере (Victor, 2001)

Показатель	СО2	CH4	N2O	CFC-11	SF6	CHF3	CF4
Концентрация в доиндустриальный период (1750 г)	около 280 ppm*	около 700 ppb	около 270 ppb	0	0	0	40ppt
Концентрация в 1998 г.	365 ppm	1745 ppb	314 ppb	268 ppt	4.2 ppt	14 ppt	80 ppt
Рост концентрации за период 1990-1999 гг., в год	1.5 ppm	7.0 ppb	0.8 ppb	-1.4 ppt	-	0.55 ppt	1 ppt

* ppm – 1 часть на 10-6; ppb - 1 часть на 10-9; ppt1 часть на 10-12

Концентрация метана в атмосфере возросла по сравнению с наблюдавшейся (по косвенным данным) в 1750 г. в 2.5 раза и продолжает увеличиваться. Ежегодные темпы роста концентрации СО2 замедлились, однако стали более изменчивыми в 90-е годы по сравнению с 80-ми. За время с 1750 г. концентрация закиси азота выросла на 16%. В результате осуществления рекомендаций Монреальского протокола и его дополнений концентрации ряда галогенуглеродных соединений, действующих как парниковые и озоноразрушающие газы, либо возрастали не так стремительно, как раньше, либо стали убывать. Однако был отмечен быстрый рост концентрации их заменителей и других синтетических соединений (например, перфторуглеродных соединений PFC и шестифтористой серы SF6).
Наблюдаемый ныне рост СО2 в атмосфере (3 Гт С в год) происходит после почти 300-летнего периода потепления. Поэтому этот рост может быть не результатом деятельности человека, а следствием естественного процесса - интенсификации выделения СО2 океаном при увеличении температуры воды.  Кроме того, по сравнению с ежегодным антропогенным поступлением в атмосферу углерода (5.5 Гт) его содержание даже в резервуарах подвижного фонда (в атмосфере - около 750 Гт, поверхностных слоях океана - 1000 Гт, околоземной биоте, включая почвы и детрит, - около 2 200 Гт) столь велико, что антропогенный фактор роста СО2 в атмосфере трудно признать значимым (Robinson et al., 1998).   

Рисунок 2.1 - Реконструкция колебаний содержания CO2 и средней глобальной температуры земной поверхности (160 тыс. лет назад - 2100 г.). Стрелками отмечены точки на графике, в которых содержание CO2 составляло 280 ppm (1), что соответствовало началу индустриальной революции, и 353 ppm (2), отвечающее современному периоду, когда концентрация CO2 вследствие производственной деятельности человечества превысила предыдущий максимум (Weizsдcker, 1994).
К настоящему времени разработано достаточно большое количество моделей изменения климата и углекислого газа. Английские ученые представили прогноз возрастания концентрации СО2 в атмосфере вплоть до 2100 г., учитывающий обратное воздействие потепления климата на углерод, который запасен в почве (в основном в виде торфяников) (Cox  et al.,2000). Прогноз при различных сценариях моделирует достаточно быстрый рост СО2 и температуры: к концу столетия количество атмосферного углерода возрастет почти втрое, средняя температура земной поверхности — на 5оС, а на суше — на 8оС.
Атмосфера в основном состоит из азота (78%) и кислорода (21%). Парниковые газы (двуокись углерода (С02), метан (СН4), закись азота (N20), хлорфторуглероды и др.) составляют всего около 0,1% (таблица 2.2).

Таблица 2.2 - Индекс вклада в глобальное потепление (GWP) (в сравнении с СО2) парниковых газов (Technical Summary Working Group I Report, 2001)

Наименование парникового газа	Время жизни,  (лет)	Индекс вклада в глобальное потепление (GWP) в течение ряда лет
		20 лет	100 лет	500 лет
СО2		1	1	1
CH4	12.0	62	23	7
N2O	114	275	296	156
CHF3	260	9400	12000	10000
CH2F2	5.0	1800	550	170
CH3F	2.6	330	97	30
CHF2CF3	29	5900	3400	1100
CHF2CHF2	9.6	3200	1100	330
CH2CF3	13.8	3300	1300	400
CHF2CH2F	3.4	1100	330	100
CF3CH3	52	5500	4300	1600
CH2CH2F	0.5	140	43	13
CH3CHF2	1.4	410	120	37
CH3CH2F	0.3	40	12	4
CF3CHFCF3	33	5600	3500	1100
CH2CF2CF3	13.2	3300	1300	390
CHF2CHFCF3	10	3600	1200	390
CF3CH2CF3	220	7500	9400	7100
CH2CF2CHF2	5.9	2100	640	200
CHF2CH2CF3	7.2	3000	950	300
CF3CH2CF2CH3	9.9	2600	890	280
CF3CHFCHFCF2CF3	15	3700	1500	470
SF6	3200	15100	22200	32400
CF4	50000	3900	5700	8900
C2F6	10000	8000	11900	18000
C3F8	2600	5900	8600	12400
C4F10	2600	5900	8600	12400
c-C4F8	3200	6800	10000	14500
C5F12	4100	6000	8900	13200
C6F14	3200	6100	9000	13200
CH3OCH	0.015	1	1	«1
CF3OCHF2	150	12900	14900	9200
CHF3OCHF2	26.2	10500	6100	2000
CH3OCF3	4.4	2500	750	230
CF3CHClOCHF2	2.6	1100	340	110
CF2CH2OCHF2	4.4	1900	570	180
CHF2CF2OCH3	0.22	99	30	9
C4F9OCH3	5.0	1300	390	120
C4F9OC2H5	0.77	190	55	17
CHF2OCF2OC2F4OCHF2	6.3	5900	1800	560
CHF2OCF2OCHF2	12.1	7500	2700	850
CHF2OCF2CF2OCHF2	6.2	4700	1500	450

Особую опасность представляют так называемые «новые газы» или газы с высоким потенциалом глобального потепления. Их отличительной особенностью является длительный период жизни и большой удельный парниковый эффект (в несколько тысяч раз больший, чем СО2).
Наряду с поступлением в атмосферу газов, обладающих парниковым эффектом нельзя не учитывать эмиссию газов, ведущих к понижению температуры. В настоящее время в год в атмосферу поступает более 1 млн. т аэрозоля естественного происхождения, при этом зна­чительная его часть довольно быстро выносится и вымывается из атмосферы (Лосев, 1985). В периоды извержений вулканов эта величина резко возрастает. В начале 80-х годов произошло два крупных извержения— 18 мая 1980 г. вулкана Сент-Хеленс в Соединен­ных Штатах Америки; 28 марта 1982 г. вулкана Эль-Чичон в Мексике. Оба вулкана выбросили примерно по 0,5 км3 материала (объем параллелепипеда с основанием в футбольное поле и высотой 100 км). Это во много раз больше среднего годового количества аэрозоля, поступающего в атмосферу.
В результате подобных мощных выбросов, особенно не­скольких, меняется прозрачность атмосферы, и, следовательно, уменьшается и поток солнечной радиации, достигающей по­верхности планеты. Задержавшийся в атмосфере аэрозоль может за счет этого понизить температуру и привести к похолоданию определенной продолжительности.
Оценки изменения радиационного возмущающего воздействия (РВВ), характеризующего усиление парникового эффекта атмосферы и обусловленного ростом концентрации малых газовых компонентов (МГК), дали суммарное значение, равное 2.42 Вт/м2 при следующих вкладах различных МГК: СО2 (1.46 Вт/м2, СН4 (0.48 Вт/м2, галогенуглеродные соединения (0.33 Вт/м2), N2O (0.15 Вт/м2) (Кондратьев, 2001). Наблюдавшееся за последние 20 лет уменьшение общего содержания озона могло привести к отрицательному РВВ, составляющему -0.15 Вт/м2, которое может снизиться до нуля в текущем столетии, если меры по защите слоя озона окажутся успешными. Происшедший с 1750 г. рост содержания тропосферного озона (примерно на одну треть) мог породить положительное РВВ, равное приблизительно 0.35 Вт/м2.
В таблице 2.3 приведены параметры эмиссии парниковых газов в России. Суммарная эквивалентная эмиссия всех газов с непосредственным парниковым эффектом за период 1990-1994 гг. уменьшилась на 887 миллионов тон в СО2 –эквиваленте, или на 29,2 %.
Россия имеет относительно "мягкие" обязательства, от нас не требуется снижать выбросы ниже уровня 1990 года, но мы и не имеем права их превысить. Поскольку сейчас выброс России ниже, чем в 1990 году и в ближайшие 10 лет он не достигнет уровня 1990 года, основным обязательством страны по Киотскому Протоколу становится учет и контроль выбросов и квот на выбросы, а также возможность получения прибыли за счет продажи квот - разрешений на выбросы.

Таблица 2.3 - Сценарии суммарной эквивалентной эмиссии парниковых газов в РФ (Второе национальное сообщение РФ, 1998)

Показатели	1990  (фактическая)	1994 (фактическая)	2000	2005	2010
Эмиссия СО2, МтСО2/год:	2372	1660
Базовый сценарий			1800	2140	2540
Вероятный сценарий			1750	2000	2300
Оптимистический сценарий			1730	1950	2180
Эмиссия СН4, Мт СО2 -экв./год	557	412	445	475	505
Эмиссия N20, Мт СО2 -экв./год	70	40	43,5	50	55
Эмиссия других газов, Мт СО2 -экв./год	40	40	42,5	47	52
Суммарная эквивалентная эмиссия, Мт СО2 -экв./год			округленные значения, в скобках в процентах от 1990 г.
Базовый сценарий	3039	2152	2330 (77%)	2710 (89%)	3150 (104%)
Вероятный сценарий			2280 (75%)	2570 (85%)	2910 (96%)
Оптимистический сценарий			2260 (74%)	2520 (83%)	2790 (92%)

Значимым фактором определяющим баланс углерода являются лесные пожары. Лесные пожары приводят к двум основными процессам: 1) быстрой эмиссии СО2 и других парниковых газов непосредственно при горении и 2) медленному высвобождению СО2 при деструкции и гниении погибших от огня, но не сгоревших растений (таблица 2.4). Второй процесс в наших климатических. условиях может продолжаться очень долго - до нескольких лет или десятилетий. Часто на гарях возникают повторные пожары и тогда один процесс накладывается на второй. Количество биомассы, сгорающей при пожаре зависит от типа леса и запаса в нем горючих материалов, участия различных лесных ярусов в процессе горения. Скорость разложения зависит от природно-климатических условий, размеров и состава несгоревших частей.

Таблица 2.4 - Потоки парниковых газов, обусловленные лесными пожарами (в среднем за 1988-1994 гг.) (Второе национальное сообщение РФ, 1998)

		Тип пожара, потери углерода МтС/год				ВСЕГО, МтС/год
		верховые	низовые	подземные
Потери углерода непосредственно при лесных пожарах
		3,5-9,3	10,6-29	0,25-0,7		14-39
Потери углерода из-за послепожарного разложения органического вещества
		3,5-9,1	6,6-18	0,04-0,11		10-27
ВСЕГО		7-18,4	17-47	0,3-0,8		24-66 МтС/год или 90-240 Мт СО2/год
	Потоки других парниковых газов непосредственно при лесных пожарах
СН4   0,2-0,6 МтСН4год, СО      2-6 Мт СО/год,					N2O     1,5-4,5 тыс.т N2O /год, NO       50-150 тыс.т NO /год.

Наряду с влиянием на баланс углерода лесных пожаров не следует недооценивать динамику сельскохозяйственного производства. Например, в США посевная площадь злаковых культур увеличилась с 292 млн. акров в 1964 году до 347 млн. акров в 1982-м, и сократилась до 293 млн. – в 1987г. (The Heinz Center, 1999). Для сравнения, общая  площадь пострадавшего от пожаров леса ежегодно изменяется от одного до шести миллионов акров и – соответственно – много меньше, чем подобного рода переходы земли в сельскохозяйственное пользование и обратно.
В результате выполнения  европроекта EUROFLUX по долгосрочному мониторингу потоков CO2 и испарения в ходе обмена между лесом и атмосферой в Европе, установлено что в бореальных лесах ассимиляционные и дыхательные потоки почти эквивалентны и легкие изменения климата могут сменить знак баланса на противоположный (Loustau et al., 2000).  Об этом свидетельствует большое варьирование данных по годам. В 1997/98 гг. баланс углерода варьировал от стока (-673 г C/м2 ·год) до эмиссии (+94 г C/м2 ·год). Наибольший сток углерода отмечен над 90-летней бучиной в горах Италии и над молодым древостоем ели ситхинской в Шотландии, где были наибольшие объемы осадков. Выделение углерода отмечено над 100-летним сосняком в Швеции с наименьшим количеством осадков (440 мм/год). В двух сравниваемых древостоях во Франции гетеротрофное дыхание составляет 40-60% от общего, а первичная продуктивность зависит от индекса листовой поверхности  полога и климатических условий.

Таблица 2.5 - Сводные данные об эмиссиях и стоках всех парниковых газов в целом в 1990 и 1994 гг. (Второе национальное сообщение РФ, 1998)

Эмиссии и сток парниковых газов	1990	1994
	Мт СО2 -экв./год	Мт СО2 -экв./год	в процентах от уровня 1990 г.
СО2	2372	1660	70%
СН4	557	412	74%
N2O	70	40	57%
Другие газы	40	40	100%
ВСЕГО ЭМИССИИ	3039	2152	70%
Нетто - сток СО2 в лесах	392	568	145%

Выплавка   алюминия   сопровождается   эмиссией   фтористых газообразных соединений - CF4 и C2F6 . Эмиссия этих веществ при производстве алюминия на Красноярском и Братском алюминиевых заводов, определенная расчетным путем на основе "Пересмотренных Руководящих принципов национальных инвентаризаций парниковых газов МГЭИК 1996 года", приведена в таблице 2.6. Для расчетов использовались следующие коэффициенты удельной эмиссии: 1,5 кг CF4 и 0,15 кг C2F6 на тонну алюминия, произведенного по традиционной технологии; 0,9 кг CF4 и 0,09 кг C2F6, на тонну алюминия, произведенного по технологии с обожженными анодами.

Таблица 2.6 - Эмиссии фтористых парниковых газов в процессе производства алюминия на заводах Сибири (тыс. тонн).

Год	Братский		Красноярский		Саянский
	CF4	C2F6	CF4	C2F6	CF4	C2F6
1996	-	-	-	-	0,295	0,030
1997	-	-	1,191	0,119	0,294	0,029
1998	1,278	0,128	1,211	0,121	0,297	0,030
1999	0,000	0,000	1,262	0,126	0,342	0,034
2000	1,349	0,135	1,268	0,127	0,363	0,036
2001	1,379	0,138	1,287	0,129	-	-

Учитывая исключительно большой вклад фтористых газов в глобальное потепление (в тысячи и десятки тысяч раз больше эффекта СО2 ) особое внимание наряду с модернизацией технологии (например, обожженные аноды) следует оделить очистке промышленных выбросов. Однако специфика заводов по производству алюминия предполагает большой объем фонарных газов, уходящих вне системы газоочистки. В свою очередь использование невысоких труб (70 м) и холмистое окружение завода (Братский алюминиевый завод) позволяет эффективно использовать систему защитных лесных насаждений, поглощающих ту часть воздушного загрязнения, которую невозможно уловить даже при самой совершенной технологии.
Несомненно большего внима­ния требует тот факт, что главным парниковым эффектом обладает водяной пар (Горшков, Кондратьев, Лосев, 1998).
Количество водяных паров в 20 в. возрастало в атмосфере на несколько процентов в десятилетие в большинстве регионов Северного полушария, хотя и могут иметь место определенные временные  и региональные вариации (Technical Summary Working Group I Report, 2001).  Изменения  за последние 25 лет были проанализированы  с использованием наблюдений на месте, также, как и исследование нижней тропосферы с использованием зондов и спутников. Водяные пары в нижней стратосфере имеют тенденцию к нарастанию примерно на 10% в десятилетие с начала периода наблюдения (1980).     Изменения в общем количестве облаков в средне- и высокоширотных континентальных регионах Северного полушария связаны с нарастанием облачного покрова примерно на 2% с начала 20-го века, что положительно коррелирует с сокращением интервала температур. Подобные изменения имеют место в Австралии, единственном континенте Южного полушария, где такой анализ был проведен. Изменения в общем количестве облаков неочевидны как в субтропических, так и в тропических регионах, также, как и над океанами.
По палеоклиматическим данным, полученным со станции Восток (Антарктида) установлено, что вклад парниковых газов за последний климатический цикл (160 тыс. лет) колеблется в пределах 40-65 % (Котляков, 2000). Резкий подъем изотопной температуры в начале последнего межледниковья (около 140 тыс. лет назад) начался с некоторым запаздыванием по отношению к росту концентрации СО2 (4-7 тыс. лет). Имеющиеся данные подтверждают, что уровень СО2 уже поднялся на 35 ppmv до того, как континентальные льды начали заметно сокращаться.

Сложность выделения антропогенной составляющей при формировании климата не позволяет полностью отнести наблюдаемое потепление на счет техногенного фактора. Имеющиеся результаты численного моделирования климата не противоречат возможности антропогенно обусловленного потепления, но не могут рассматриваться как доказательные (Brown et а1., 1996).