Атмосферный углекислый газ
Атмосферный углекислый газ
Как мы уже говорили, углекислый газ (двуокись углерода, CO2) составляет примерно 0,03% газов, складывающих современную атмосферу Земли. При этом его значение для живых организмов очень велико. Очевидна его значимость как источника углерода при фотосинтезе органических веществ. С другой стороны, сам углекислый газ в значительной своей части поступает в атмосферу благодаря деятельности живых организмов, в том числе дыхания и гниения. Замечу, что в большинстве экосистем, по крайней мере, наземных, концентрация CO2 в атмосфере достаточно велика, для того чтобы не быть ограничивающим фактором для растений.
Сейчас я хочу подробнее остановиться на его роли в регуляции теплового режима поверхности Земли.
На прошлой лекции, говоря об озоне, я упоминал о роли озона как «одеяла», не выпускающего за пределы атмосферы часть инфракрасного, или теплового, излучения. Замечу, однако, что как газ, задерживающий это излучение, – а такие газы сейчас модно называть «парниковыми» – он не только не единственен, но даже не самый существенный по своему вкладу в этот эффект. Пальму первенства здесь можно смело отдать всё тем же водяным парам. Считается, что на их долю приходится примерно 62% от всего поглощаемого атмосферой инфракрасного излучения. Существенна здесь роль и углекислого газа – около 22% – хотя она и заметно меньше, чем у водяных паров. Тем не менее, именно содержанию углекислого газа – вернее, динамике его содержания – в последние десятилетия общественностью уделяется особое внимание. Как и в случае «озоновых дыр», речь идет уже и о конкретных действиях, направленных на приостановку возрастания его концентрации в воздухе. Попробуем разобраться, о чем же идет речь.
Эффект «парника» известен всем, имевшим дело с этим незамысловатым огородным сооружением. В атмосфере он выглядит так. Часть излучения Солнца, не отразившаяся от облаков, проходит через атмосферу, исполняющую роль стекла или пленки, и нагревает земную поверхность. Нагретая поверхность, конечно, остывает, испуская тепловое излучение, но это уже другое излучение – инфракрасное. Средняя длина волны такого излучения значительно больше, чем в приходящем от Солнца, и потому почти прозрачная для видимого света атмосфера пропускает его значительно хуже. В среднем за год для всей поверхности Земли достаточно точно выполняется условие радиационного баланса: приходящая солнечная радиация компенсируется радиацией, излучаемой в пространство с верхней границы атмосферы. Согласно расчетам, основанным на законе Стефана-Больцмана (который устанавливает связь между количеством энергии E, излучаемой единицей поверхности абсолютно черного тела за единицу времени, и температурой T тела: E = sT4, где постоянная Больцмана s = 5.67 . 10-8 Вт/м2К4) и данных о солнечном излучении на больших высотах, температура земной поверхности составляла бы в отсутствие парникового эффекта в атмосфере около -19 °С (в среднем за год), в то время как реально наблюдается около +15 °С. Таким образом, благодаря парниковому эффекту суммарный радиационный баланс Земли выполняется при более высокой температуре земной поверхности.
Наблюдения и реконструкции по различным геологическим данным показали, что в 20-м веке произошел быстрый и значительный рост концентрации CO2 в атмосфере – более, чем в 1.3 раза за период от начала индустриальной эры до настоящего времени. По данным Центра исследований и прогнозов климата, расположенного в Великобритании, глобальное потепление в XX в. достигло первого максимума в конце 1930-х – начале 1940-х годов и составило 0,6 °С. Затем до середины 1960-х годов отмечалось похолодание, достигшее примерно 0,3 °С, которое сменилось нынешним потеплением.
Каковы же причины этого потепления? Пытаясь найти в доступных источниках информации ответы на этот вопрос, я столкнулся с примерно такой же картиной, как и в случае «озоновых дыр». Первая, наиболее широко известная, точка зрения состоит в том, что ответственность за потепление несет возрастание концентрации атмосферного CO2, а это возрастание – результат деятельности человеческой цивилизации, с ее технологическими процессами и двигателями, функционирующими за счет сжигания соединений углерода.
Первый прогноз о глобальном потеплении был сделан шведским физиком и химиком Сванте Августом Аррениусом (известным как автор теории электролитической диссоциации, за которую он получил в 1903 г. Нобелевскую премию) в конце XIX века. На основании сложных математических расчетов Аррениус предположил, что в результате индустриального развития содержание углекислого газа в воздухе достигнет небывалой величины на рубеже XXI века.
После Второй мировой войны стали проводиться непрерывные измерения концентрации СО2 в атмосфере. Гавайская обсерватория на горе Мауна Лоа, которая расположена в месте, не подверженном локальным выбросам (иначе измеренные концентрации зависели бы от направления ветра и промышленной активности), зарегистрировала возрастающую с годами кривую концентрации СО2. Уже к 60-м годам некоторые ученые стали выражать озабоченность по поводу этого явления, но тогда они не были услышаны.
Рекомендуемые материалы
Всерьез о возможности влияния этого фактора на температурный режим Земли стали пытаться говорить примерно в 70-е годы. Тревогу забили ученые, выполнявшие исследования в рамках задач, поставленных Римским клубом.
Немного о том, что такое Римский клуб. Весной 1968г. итальянский экономист, общественный деятель и бизнесмен, член руководства фирмы “Фиат” и вице-президент компании “Оливетти” Аурелио Печчеи разослал приглашение 30 видным европейским ученым и представителям делового мира для участия в обсуждении проблем глобального масштаба, вставших перед человечеством. 6-7 апреля того же года в Риме, в старой Национальной академии деи Линчеи («академии рысьеглазых») состоялась встреча приглашенных, на которой развернулись дискуссии по наиболее актуальным проблемам современности. Те участники встречи, которые поддержали идею о создании международной организации объединились в Римский клуб. Организация приняла статус неправительственной, не связанной с политическими партиями, классами, идеологиями. В настоящее время Римский клуб объединяет около 100 ученых, общественных деятелей, бизнесменов из многих стран, в т. ч. России. Свою работу он строит в форме организации собраний, симпозиумов, семинаров, встреч с известными учеными, политическими лидерами, влиятельными бизнесменами. Деятели Римского Клуба поставили перед собой цели дать обществу методику, с помощью которой можно было бы научно анализировать "затруднения человечества", связанные с физической ограниченностью ресурсов Земли, бурным ростом производства и потребления – этими "принципиальными пределами роста", и предложить пути достижения "глобального равновесия".
В марте 1972 г. был опубликован доклад Римскому клубу профессора университета Нью-Хемпшира Денниса Медоуза "Пределы роста", в котором была сделана первая в глобалистике попытка количественной оценки процессов, происходящих на планете. Как один из важнейших источников глобальной опасности для человечества в нем было указано загрязнение окружающей среды. Этот доклад простимулировал усиление внимания исследователей к изменению состояния атмосферы, в том числе содержания в ней парниковых газов.
Затем было совершено неожиданное научное открытие. С 1970 года на советской антарктической станции «Восток» бурили сверхглубокую скважину, чтобы пробиться через лед, добраться до подстилающего скального основания и взять пробы. В итоге, кстати говоря, в 1994 г. было обнаружено уникальное подледное озеро, но это, как говорится в одной хорошей книге, «уже совсем другая история». А к середине 80-х годов в ходе этого эксперимента с разных глубин ледникового покрова были получены образцы ископаемого льда разного возраста. В ходе исследований этих образцов были получены данные о непрерывном изменении концентраций СО2 за последние 160 тысяч лет. Микрохимический метод, разработанный швейцарским климатологом Полом Эшгером, позволил французской группе Клода Лори (Лори и др., 1985; Барнола и др., 1987) определить химический состав мельчайших воздушных пузырьков в слоях льда, возраст которых был хорошо известен.
Более сложный метод позволил им также установить средние температуры в соответствующие периоды времени. Кислород состоит из 99,8% обычного изотопа 16О и 0,2% «тяжелого» изотопа 18О. Молекулы воды (Н2О), содержащие тяжелый кислород, испаряются не так легко, как молекулы, включающие атомы обычного кислорода. Поэтому вода в облаках содержит большую долю обычного кислорода, чем вода в океане. Осадки в Антарктиде отражают состав воды из облаков, а не из океана. В теплые периоды выпадает больше осадков. Таким образом, лед, образовавшийся в более теплые периоды, должен содержать меньшие концентрации 18О. Эта небольшая разница позволила достаточно надежно разделить теплые и холодные периоды при регистрации температуры по тем же воздушным пузырькам, содержащимся в антарктическом льду (Жузель и др., 1987). Когда кривые изменения во времени концентраций СО2 и температуры были совмещены, обнаружилась их близость, граничащая с совпадением. Это заставило мир вновь подумать об опасностях дополнительного парникового эффекта, вызванного деятельностью человека.
Когда результаты изучения кернов льда со станции «Восток» дошли до научного сообщества (перед их публикацией в журнале «Nature»), раздались возгласы тревоги. Всемирная метеорологическая организация (ВМО) в Женеве, участники Программы охраны окружающей среды ООН в Найроби и Международный совет научных союзов (МСНС) в Париже собрались вместе и организовали семинар в Филлахе (Австрия), которому суждено было стать одной из важнейших встреч по вопросам окружающей среды в наше время. На встрече в Филлахе были представлены данные, полученные из исследований кернов антарктического льда, и обсуждались их политические последствия.
Вскоре, в 1988 г., в Женеве была созвана Вторая Всемирная конференция по климату. Чтобы гарантировать постоянное внимание правительств к проблеме, была создана Межправительственная группа по изменению климата (МГИК), которая собрала вместе ученых и государственных чиновников для обсуждения смысла новых климатологических знаний. Эту группу возглавил видный шведский климатолог Берт Болин. МГИК и ее отличная международная репутация во многом способствовали началу дебатов в другом органе – Межправительственной согласительной комиссии (МСК), которая была создана для подготовки конвенции о защите климата. Эта комиссия подготовила Рамочную конвенцию по изменениям климата, которая была подписана 154 государствами в 1992 году на Всемирном форуме в Рио-де-Жанейро. В ее втором параграфе государствам, подписавшим документ, предлагается «стабилизировать концентрацию парниковых газов на уровнях, предотвращающих опасное вмешательство человека в климат».
Переход к практической реализации намеченных шагов оказался долгим и болезненным. В 1995 и 1996 гг. проведены две конференции сторон-участников Рамочной конвенции. Первая, в Берлине, дала так называемый Берлинский мандат на составление протокола, который должен быть готов для принятия на третьей конференции сторон в Киото (Япония) в декабре 1997 г. Надо заметить, что в целом Берлинская конференция была оценена обозревателями как весьма разочаровывающая встреча, ввиду того, что страны-экспортеры нефти вместе с США и Россией блокировали практически всякий прогресс. Однако вторая, Женевская, конференция привела к значительной конкретизации мандата для Киото, в основном благодаря изменению позиции делегации США.
Третья конференция сторон состоялась с 1 по 11 декабря 1997 г. в Киото. В конечном итоге, после крайне напряженных переговоров, конференция увенчалась единодушным принятием 11 декабря «Киотского протокола». Согласно ему, часть стран-участниц (так называемые "страны приложения B" - развитые и постсоциалистические страны, на долю которых и приходится основная часть выбросов) берет на себя коллективное обязательство к 2008-2012 годам сократить выброс "парниковых" газов на 5 процентов по сравнению с уровнем 1990 года, который принят за базовый. Киотский протокол охватывает шесть парниковых газов, включая, в частности, СО2, метан и N2О. У каждой страны, входящей в эту группу, есть и собственные индивидуальные обязательства, за выполнение которых она отвечает. Европейский союз должен сократить выбросы CO2 и других парниковых газов на 8%, США - на 7%, Япония – на 6%. Россия оставила за собой 100% от уровня базового 1990 года. Обязательства сторон после 2012 года будут определяться в ходе переговоров, которые должны начаться в 2005 году.
На выращивание лесов внутри государств, направленное против выбросов СО2 должны будут выданы кредиты, а между странами должна быть установлена торговля квотами на выбросы. Детали правил торговли, а также включение в протокол развивающихся стран предполагалось определить на четвертой конференции в Буэнос-Айресе. Она состоялась 8 ноября 1998 г.
Следует заметить, что для вступления в силу решений, записанных в Киотском протоколе, поставленных подписей недостаточно, необходима его ратификация законодательными органами стран, подписавших протокол. И здесь-то и выяснились значительные разногласия между позициями государств, изначально Киотский протокол подписавших. Протокол был ратифицирован более, чем в 120 странах мира. Однако Сенат США этот протокол ратифицировать отказался, а позже и президент США Джордж Буш объявил, что не поддерживает Киотский протокол как не соответствующий национальным интересам Соединенных Штатов. Если говорить о России, подписавшей Киотский протокол в Нью-Йорке 11 марта 1999 года., то президент Владимир Путин подписал федеральный закон "О ратификации Киотского протокола к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата". Закон принят Госдумой 22 октября и одобрен Советом Федерации 27 октября. 2004 года. Россия стала 127-й страной, ратифицировавшей Киотский протокол. Тем не менее, дискуссии о целесообразности участия в этом договоре не утихают до сих пор.
С чем связаны эти дискуссии? Казалось бы, всё ясно: образующийся при сжигании органического топлива углекислый газ накапливается в атмосфере и задерживает часть отраженного поверхностью Земли солнечного излучения, что приводит к возрастанию температуры. В действительности все обстоит не так просто.
В анализе причин изменения климата следует принять в расчет естественные процессы, никак не связанные с человеческой деятельностью. То, что такие процессы происходят, подтверждает история климата Земли еще до появления на ней человека разумного, а затем и на протяжении нескольких тысячелетий до начала XIX века, откуда отсчитывается индустриальная эра развития цивилизации. Температура испытывала значительные колебания еще задолго до того, как человек мог оказать, сколько ни будь заметное влияние на глобальные процессы циркуляции атмосферы, ее газовый состав. Так, еще примерно 5 тысяч лет назад для территории окрестностей нынешнего Петербурга были типичны широколиственные леса из ясеня, дуба, липы и других деревьев, которые сейчас характерны для лесов юга европейской России, а у нас сохранились лишь в отдельных рефугиумах наподобие Дудергофских возвышенностей.
Следует отметить также, что жесткой связи между средне-глобальной температурой и концентрацией диоксида углерода в атмосфере не наблюдается: повышение содержания CO2 могло как предшествовать росту температуры (например, период около 2700 г. до н.э.), так и отставать от него (примерно 1200 г. н.э.). Более того, в более ранние геологические времена (500 миллионов лет назад и ранее) высокие температуры соотносились скорее с низкими концентрациями СО2, что не согласуется с представлениями о парниковом эффекте. Возможно, конечно, что действие парникового эффекта было перекрыто какими-то другими явлениями.
Таким образом, человек не может нести всю полноту ответственности за парниковый эффект, за потепление климата. Антропогенное воздействие должно рассматриваться вместе с естественными причинами изменения климата. Какие же факторы оказывают влияние на климат? Если ограничиться масштабом времени, не превышающим тысячелетия, что является характерным для современного периода "парниковой" проблемы, то необходимо обсудить следующие факторы.
Обратные связи CO2 – биосфера и CO2 – человечество.
Безусловно, важнейшим из парниковых газов является CO2. Его основным источником служат процессы сжигания органического топлива (уголь, газ, нефть и продукты ее переработки, горючие сланцы, дрова). За счет этого в атмосферу поступает до 80% двуокиси углерода. Существует достаточно большое количество прогнозов развития энергетики. Однако их точность оставляет желать лучшего. В своем большинстве прогнозы дают явно завышенные оценки по сравнению с реальными цифрами мирового энергопотребления. В частности, при их составлении нередко отсутствует учет обратных связей. В то же время, эти связи вносят существенный вклад в формирование общей картины, причем благодаря ним ситуация может значительно смягчаться. Во-первых, как считает, например, известный специалист в области физики атмосферы, академик РАН Кирилл Яковлевич Кондратьев, фактический прирост концентрации СО2 не столь велик, как предсказывается на основе вычислений, за счет того, что биосфера ассимилирует огромные количества углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу. Этот механизм таков: увеличение концентрации СО2 в атмосфере вызывает потепление климата, что приводит к созданию более благоприятных условий для произрастания лесов. В результате растительность начинает интенсивнее расти и увеличивает потребление СО2 в ходе фотосинтеза.
Во-вторых, в результате повышения средней температуры уменьшается потребность в энергии, расходуемой на отопление, у развитых стран, расположенных в высоких широтах, что приводит к сокращению ими выбросов углекислого газа.
Вклад в парниковый эффект других газов. Помимо двуокиси углерода, в создании парникового эффекта участвуют и другие атмосферные газы. К парниковым газам относятся метан, закись азота, фреоны, озон и другие газы, количественное присутствие которых в атмосфере также может быть обусловлено антропогенными причинами. Оценки показывают, что вклад малых парниковых составляющих атмосферы в суммарный эффект сейчас достигает 40%. Роль озона мы уже обсуждали. Однако следующими после CO2 по вкладу в парниковый эффект являются метан СН4 и закись азота N2O. Концентрация того и другого газа определяется как естественными, так и антропогенными причинами. Так, естественным источником метана являются, во-первых, недра Земли, откуда он выделяется в ходе вулканических и других процессов, и, во-вторых, переувлажненные почвы и болота, в которых происходят процессы анаэробного разложения. Человек добавил свои источники – рисовые плантации, добычу и транспортировку природного газа, разлагающиеся на свалках органические отходы и т.п.
Океан и почвы являются также одними из источников атмосферной закиси азота, хотя часть этого вещества попадает в атмосферу и благодаря деятельности человека – в ходе сжигания топлива, в результате промышленных технологических процессов, а также разложения минеральных удобрений.
Вклад тропосферных аэрозолей. Частицы аэрозоля играют важную роль в климатической системе, поскольку они непосредственно влияют на характеристики прямого или отраженного солнечного излучения. Наибольшее климатическое значение имеют частицы размером менее одного микрометра, они образуются в атмосфере в результате газохимических превращений, в которые вовлечены в основном серосодержащие газы и, в первую очередь, SO2. В результате образуется серная кислота, которая немедленно конденсируется в виде мельчайших капелек. Такие процессы всегда имели место в атмосфере Земли, куда достаточное количество серы поступало с поверхности океана и в результате извержений вулканов, однако сейчас примерно 60% серы, попадающей в атмосферу, имеет антропогенное происхождение.
Бесплатная лекция: "Речной бассейн" также доступна.
Солнечная постоянная, т.е. тепловой поток, поступающий от Солнца на внешнюю границу тропосферы. Тепловой поток, поступающий от Солнца на внешнюю границу атмосферы, в среднем составляет 1370 Вт/м2. Данное значение испытывает сложные колебания в пределах долей процента, однако этого оказывается достаточно для того, чтобы существенным образом влиять на формирование климата. По результатам анализа изменения этой активности за период непосредственных инструментальных наблюдений за Солнцем (с начала XVII века) и косвенных данных, относящихся к более раннему периоду, стало ясно, что солнечная активность подвержена колебаниям с разными амплитудами и периодами (от 6,6 до 2500 лет). В настоящий момент Солнце проходит через тысячелетний пик своей активности, образованный наложением кратко- и долгосрочных трендов и отличающийся достаточно высокой стабильностью. Этот пик, по-видимому, продлится до 2010 г., после чего начнется постепенное уменьшение активности, которое приведет к ее глубокому минимуму во второй половине следующего столетия. Минимальная оценка снижения солнечной постоянной по сравнению с нынешним уровнем составляет 0,4%, что вполне достаточно для снижения среднеглобальной температуры на 0,5-0,6 °С.
Вулканическая активность. Наиболее важным считается такой компонент вулканических выбросов, как соединения серы, которые могут достигать стратосферы и накапливаться там в виде аэрозолей. В отличие от тропосферного аэрозоля со временем жизни примерно 6 суток, стратосферный аэрозоль является долгоживущим: его время жизни достигает 5-7 лет. Обсуждается также участие вулканов в образовании атмосферного метана, хотя их вклад оценивается по-разному различными исследователями. Общий уровень вулканической активности на нашей планете подвержен некоторым колебаниям, иногда связываемым с 11-летним солнечным циклом. По некоторым данным, уменьшение активности Солнца активизирует деятельность вулканов.
Апериодические колебания в системе атмосфера – океан. Эти явления оказывают серьезное влияние на тепловой режим атмосферы, сравнимое с действием парникового эффекта. С одной стороны, их возникновение может быть в какой-то мере связано с парниковым эффектом, с другой же – их последствия могут ошибочно приписываться действию парникового эффекта. Из природных явлений планетарного масштаба к числу наиболее мощных следует отнести так называемое южное колебание – перераспределение масс воздуха в низких широтах Южного полушария между Индийским и Тихим океанами. В обычной ситуации, когда атмосферное давление примерно одинаково над обоими океанами, северо-восточные и юго-восточные пассатные ветры нагоняют теплую воду в западную часть Тихого океана. При этом в его восточной части в результате сгона поверхностного слоя формируется холодный слой перемешивания. Если давление над Тихим океаном растет, то сгонно-нагонные явления в океане становятся еще более выраженными.
Однако возможна и другая ситуация, повторяющаяся через нерегулярные промежутки времени: давление над Индийским океаном вырастает настолько, что пассатные ветры ослабевают и даже меняют направление на противоположное. Теплая вода из западной части Тихого океана устремляется на восток и накапливается у берегов Южной Америки. Такие случаи значительного потепления воды в центральной и восточной частях экваториальной зоны Тихого океана получили название явлений Эль-Ниньо. Явления Эль-Ниньо оказывают влияние не только на региональный климат и морскую экосистему западного побережья Южной Америки, но и возмущают атмосферную циркуляцию на всем земном шаре. Вызванные этими возмущениями аномалии погоды обнаруживаются во многих районах умеренных широт. Глобальные изменения состояния океана и атмосферы сопровождаются также изменениями концентрации в атмосфере углекислого газа и озона и даже небольшим замедлением вращения Земли. Очень сильное Эль-Ниньо пришлось на 1997 – 1998 г. Но даже относительно слабый Эль-Ниньо способен привести к значительному повышению среднегодовой температуры на планете, как это было в 2002 и 2003 годах.
Параметры орбиты Земли по сравнению с перечисленными выше факторами формирования глобального климата проявляются на гораздо более длительных временных интервалах. Нынешний период истории планеты характерен тем, что суммарный эффект от изменения параметров орбиты ведет к медленному понижению среднеглобальной температуры со скоростью 0,04 °С в столетие.
Таким образом, сложность взаимодействия различных факторов по-прежнему оставляет возможность для дискуссий на темы «а парниковый ли эффект является причиной потепления климата» и «а так ли велика роль человека в увеличении содержания парниковых газов в атмосфере». Помимо объективной сложности проблемы понимания причин потепления климата, в эти дискуссии свой существенный вклад вносят противоречия между интересами человечества в целом и отдельных стран. Например, если говорить о целесообразности подписания Киотского протокола Россией, то одним из аргументов против этого подписания было рассуждение о том, что этот шаг, тем более, при продаже части своих квот на выбросы, будет препятствовать восстановлению нашей экономики. Действительно, зная наши реалии, сейчас трудно рассчитывать на то, что российская промышленность оперативно отреагирует на эти ограничения разработкой и внедрением в промышленное производство новых, щадящих технологий. Следует, впрочем, заметить, что то, что не могут сделать призывы встревоженной интеллектуальной элиты и вообще общественности, иногда делает экономика. Так, взлет цен на нефть в 70-х годах XX века уже вызывал тогда значительное усовершенствование двигателей внутреннего сгорания, направленное в сторону увеличения их экономичности. Нынешние же цены на нефть, несомненно, являются не последним по значимости фактором, вызвавшим в последние годы интерес к внедрению двигателей, работающих на водороде. При этом отработанный газ в случае использования водорода в двигателе внутреннего сгорания представляет ни что иное, как водяной пар, который тут же включается в круговорот воды. Если подобные разработки увенчаются успехом, их внедрение в широкую практику существенно снизит выбросы в атмосферу, по крайней мере, CO2, а с учетом того, что это может снизить спрос на нефть и газ, – то и летучих углеводородов, включая метан. Как отразится это на концентрации в ней парниковых газов – будем надеяться, увидим...
