Парниковий ефект

- глобальна екологічна проблема

Нагромадження вуглекислого газу в атмосфері – одна з основних причин парникового ефекту. Вуглекислий газ діє в атмосфері, як стекло в оранжереї: він пропускає сонячну радіацію й не пропускає назад у космос інфрачервоне (теплове) випромінювання Землі. Зміст парникових газів – З₂, метану й ін. – неухильно збільшується. Двоокис вуглецю в атмосфері діє як потужний поглинач земного випромінювання, що у противному випадку розсіювалося б у космічному просторі. Поглинаючи й знову віддаючи цю енергію випромінювання, двоокис вуглецю робить атмосферу тепліше, ніж вона була б у противному випадку.

Фотосинтез сприяє зменшенню двоокису вуглецю. Рослини засвоюють із повітря З₂ і будують із її свою біомасу. Вся рослинність суши засвоює з атмосфери близько 20-30 млрд. т. вуглецю у формі його двоокису. Один квадратний метр тропічного лісу витягає з повітря 1-2 кг вуглецю. Близько 40 млрд. т. вуглецю засвоюють у рік мікроскопічні водорості, що плавають в океані.

Однак рослинність Землі не здатна впоратися із всі забрудненням, що збільшується, атмосфери, що приводить до зміни клімату. У порівнянні з доиндустриальной епохою зміст двоокису вуглецю в атмосфері збільшилося на 28%. Якщо не вжити заходів, щоб скоротити викиди, то до середини ХХ століття середня глобальна температура приземної атмосфери підвищиться на 1,5 – 4,5 ⁰С.

Це приведе до перерозподілу опадів, збільшенню числа посух, зміниться режим річкового стоку. Стане верхній шар вічної мерзлоти, що займає в Росії близько 10 млн. км².рівень Світового океану може піднятися до 2030 року на 20 див., що приведе до затоплення прибережних територій.

Аналіз динаміки кліматичних даних показав, що в 80-х - початку 90-х рр. середньорічні температури на північній половині Східно-Європейської рівнини зросли через теплі зими, відзначена спряженість ареалів максимальної мінливості кліматичних характеристик з географічним розподілом забруднень атмосфери.

У результаті антропогенних викидів парникових газів змінюється клімат, що веде до негативних наслідків практично у всіх областях діяльності людини.

У Росії зміни клімату відіб'ються на сільському, лісовому й водному господарстві. У зоні вічної мерзлоти, (а це близько 55% площі всієї країни), у результаті танення льодів при потеплінні клімату стане руйнуватися господарська інфраструктура, буде нанесений збиток добувної промисловості, транспортним, енергетичним системам, комунальному господарству. Підйом рівня Світового океану приведе до затоплення берегової зони, будуть затоплені населені пункти, постраждає лісове господарство, живий і рослинний мир. Зміна клімату вплине й на здоров'я людини, можливе поширення багатьох видів захворювань.

В 1992 р. країни - члени ООН підписали Конвенцію ООН про зміну клімату, що ратифікована Росією 4 листопада 1994 р. і набула чинності 6 березня 1995 р. Ціль Конвенції - домогтися стабілізації парникових газів в атмосфері на рівні, яке б не допускало небезпечного антропогенного впливу на клімат Землі.

В 1996 р. правительство Росії прийняло федеральну цільову програму ''Запобігання небезпечних змін клімату і їхніх негативних впливів''.

Сумарні промислові викиди вуглецю в Росії в 1990 р. склали близько 650-700 млн. т. Найбільш забруднюючу атмосферу галузями є паливно-енергетична, нафтохімічна, металургійна й транспортна.

Вплив енергетики на стан повітряного басейну визначаються в основному видом палива, що спалюється. Викиди електростанцій, що споживають вугілля, становлять 139 млн. кг у рік окислів сірки, 21 млн. кг окислів азоту, 5 млн. кг твердих часток.

Чорна металургія - наступний по інтенсивності джерело забруднення атмосфери. Величезну роль у забрудненні атмосфери грають викиди сталеплавильних цехів.

Велика кількість вуглеводнів утримується у викидах нафтопереробної й нафтохімічної промисловості. Викид в атмосферу шкідливих речовин на нафтопереробних заводах відбувається через недостатню герметизацію встаткування.

Одне з головних джерел забруднення атмосфери вуглекислим газом - автомобільний транспорт. Автомобіль можна назвати хімічною фабрикою на колесах. На частку автомобіля доводиться 60% всіх шкідливих речовин у міському повітрі. Автомобільні вихлопні гази - суміш приблизно 200 речовин. У них утримуються вуглеводні, - не згорілі або не повністю згорілі компоненти палива, частка яких різко зростає, якщо автомобіль працює на малих оборотах або в момент збільшення швидкості на старті, тобто під час заторів або в червоного сигналу світлофора.

Є кілька шляхів боротьби із цим видом забруднень: технічне вдосконалювання двигунів, паливної апаратури, електронних систем подачі палива; підвищення якості палива, зниження змісту токсичних речовин у вихлопних газах у результаті застосування дожигателей палива, каталітичних каталізаторів; використання альтернативних видів палива.

Відпрацьовані гази автомашин можна знешкодити за допомогою спеціальних пристроїв у системі випуску двигуна автомобіля, називаних нейтралізаторами. Полум'яний нейтралізатор - пристрій для знешкодження

Відпрацьованих газів двигуна автомобіля дожиганием у відкритому полум'ї. Термічний нейтралізатор - термоаккумулирующее пристрій для нейтралізації відпрацьованих газів двигуна автомобіля методом беспламенного спалювання. Рідинний нейтралізатор - пристрій для знешкодження відпрацьованих газів автомобілів за допомогою хімічного зв'язування рідинними реагентами.

Позбавить населення від вихлопних газів електричний транспорт.

Поруч екологів була висунута розумна ідея ''податку на виділену вуглекислоту''. Країна, не залежно від рівня індустріального розвитку, одержить певну квоту на виробництво З₂. Багаті країни зможуть купувати квоти на викиди вуглекислоти в більше бідних країн. Такі ринкові відносини змогли б допомогти, наприклад, Бразилії дістати додаткові кошти на боротьбу зі знищенням тропічного лісу. Цей податок допоміг би підвищити інвестиції в розробку альтернативних джерел енергії.

Перший податок на виробництво вуглекислоти був уведений Швецією в 1990 р. Міністерство по захисту навколишнього середовища поставило завдання знизити до

2000 р. у країні емісію З₂ на 2,5% .Уведений так само податок на спалювання вугілля, нафти й природного газу.

У Росії відритий спосіб утилізації вуглекислого газу з використанням новітніх технологій. Двоокис вуглецю витягає з димових газів. Операцію проводять методом газоразделения за допомогою ионообменных мембран, при цьому концентрація вуглекислоти доводить до 98-99%. Очищений двоокис вуглецю накачують у сховища, звідки він надходить на подальшу переробку.

На наступній стадії вуглекислий газ змішують із парами води й піддають элекрохимическому розкладанню в процесі електролізу. У результаті реакції при високій температурі (1100-1150⁰С) на аноді виділяється надчистий кисень, а на катоді – суміш окису вуглецю й водню, тобто синтез-газ, службовець основною сировиною для виробництва углеводородных сполук, усього спектра сучасних штучних матеріалів – від синтетичного бензину й дизельного палива до виробів з полімерів (пластмас, лаків, фарб, розчинників і т.п.). Ця технологія для одержання вуглеводнів з диоксида вуглецю не має світових аналогів.

Введення нових технологій знизить нагромадження вуглекислого газу в атмосфері, допоможе створити альтернативна сировина для синтезу органічних речовин, а значить вирішити важливі екологічні проблеми.

Планета зі стійкою атмосферою, така як Земля, випробовує практично такий же ефект — у глобальному масштабі. Щоб підтримувати постійну температуру, Землі необхідно самої випромінювати стільки ж енергії, скільки вона поглинає з видимого світла, випромінюваного в нашу сторону Сонцем. Атмосфера служить як би склом у парнику — вона не настільки прозора для інфрачервоного випромінювання, як для сонячного світла. Молекули різних речовин в атмосфері (найважливіші з них— вуглекислий газ і вода) поглинають інфрачервоне випромінювання, діючи як парникові гази. Таким чином, інфрачервоні фотони, випромінювані земною поверхнею, не завжди йдуть прямо в космос. Деякі з них поглинаються молекулами парникових газів в атмосфері. Коли ці молекули вдруге випромінюють енергію, що вони поглинули, вони можуть випромінювати її як убік космосу, так і усередину, назад до поверхні Землі. Присутність таких газів в атмосфері створює ефект укривання Землі ковдрою. Вони не можуть припинити витік тепла назовні, але дозволяють зберегти тепло біля поверхні більше довгий час, тому поверхня Землі значно тепліше, ніж була б під час відсутності газів. Без атмосфери середня температура поверхні становила б —20°С, що набагато нижче крапки замерзання води.

Важливо розуміти, що парниковий ефект на Землі був завжди. Без парникового ефекту, обумовленого наявністю вуглекислого газу в атмосфері, океани давно б змерзнули, і вищі форми життя не з'явилися б. У цей час наукові дебати про парниковий ефект ідуть по питанню глобального потепління: чи не занадто ми, люди, порушуємо енергетичний баланс планети в результаті спалювання викопних видів палива й іншої хозяйственной діяльності, додаючи при цьому зайва кількість вуглекислого газу в атмосферу? Сьогодні вчені сходяться в думці, що ми відповідальні за підвищення природного парникового ефекту на кілька градусів.

Парниковий ефект має місце не тільки на Землі. У дійсності найдужчий парниковий ефект, про яке ми знаємо, — на сусідній планеті, Венері. Атмосфера Венери майже цілком складається з вуглекислого газу, і в результаті поверхня планети розігріта до 475°С. Кліматологи думають, що ми уникли такої долі завдяки наявності на Землі океанів. Океани поглинають атмосферний вуглець, і він накопичується в гірських породах, таких як вапняк - за допомогою цього вуглекислий газ віддаляється з атмосфери. На Венері немає океанів, і весь вуглекислий газ, що викидають в атмосферу вулкани, там і залишається. У результаті ми спостерігаємо на Венері некерований парниковий ефект.

Кількісне визначення парникового ефекту

Кількісно величина парникового ефекту визначається як різниця між середньою приповерхньою температурою атмосфери планети і її эффективной температурой . Парниковий ефект существенен для планет із щільними атмосферами, що містять газы, поглинаюче випромінювання в инфракрасной області спектра, і пропорційний щільності атмосферы. Наслідком парникового ефекту є також згладжування температурних контрастів як між полярными і экваториальными зонами планети, так і між денними й нічними температурами (див. таблицю 1, температури дані в Кельвинах, - середня максимальна температура (полудень на экваторе), - середня мінімальна температура).

Парниковий ефект атмосфер обумовлений їхньою різною прозорістю у видимих і далекому інфрачервоному діапазонах. На діапазон довжин хвиль 400—1500 нм (видиме світло й ближній інфрачервоний діапазон) доводиться 75 % енергії солнечного випромінювання, більшість газів не поглинають у цьому діапазоні; рэлеевское рассеяние у газах і розсіювання на атмосферних аерозолях не перешкоджають проникненню випромінювання цих довжин хвиль у глибини атмосфер і досягненню поверхні планет. Сонячне світло поглинається поверхнею планети і її атмосферою (особливі випромінювання в ближньої УФ- і Ик-Областях) і розігрівають їх. Нагріта поверхня планети й атмосфера випромінюють у далекому інфрачервоному діапазоні: так, у випадку Земли () 75% теплового випромінювання доводиться на діапазон 7,8—28мкм,для Венеры () — 3,3—12 мкм.

Атмосфера, що містить гази, що поглинають у цій області спектра (т.зв. парниковые газы — H₂O, CO₂, CH₄ та ін. - див. Рис. 1), істотно непрозора для такого випромінювання, спрямованого від її поверхні в космічний простір, тобто має в Ик-ИК-диапазонебільшу оптическую толщину. Внаслідок такої непрозорості атмосфера стає гарним теплоизолятором, що, у свою чергу, приводить до того, що перевипромінювання поглиненої сонячної енергії в космічний простір відбувається у верхніх холодних шарах атмосфери. У результаті эффективная температура Землі як випромінювача виявляється більше низкою, чим температура її поверхні.

Вплив парникового ефекту на клімат Землі

Виходячи з того, що «природний» парниковий ефект - це устояний, збалансований процес, збільшення концентрації «парникових» газів в атмосфері повинне привести до посилення парникового ефекту, що у свою чергу приведе до глобального потепління клімату. Кількість CO₂ в атмосфері неухильно росте от уже більше століття через те, що як джерело енергії стали широко застосовуватися різні види викопного палива (уголь і нефть). Крім того, як результат людської діяльності в атмосферу попадають і інші парникові гази, наприклад метан, закис азоту й цілий ряд хлоросодержащих речовин. Незважаючи на те, що вони виробляються в менших об'ємах, деякі із цих газів куди більше небезпечні з погляду глобального потепління, чим углекислый газ.

Діяльність людини приводить до підвищення концентрації парникових газів в атмосфері. Збільшення концентрації парникових газів приведе до розігріву нижніх шарів атмосфери й поверхні землі. Будь-яка зміна в здатності Землі відбивати й поглинати тепло, у тому числі викликане збільшенням змісту в атмосфері тепличних газів і аерозолів, приведе до зміни температури атмосфери й світових океанів і порушить стійкі типи циркуляції й погоди.

Проте, ведуться запеклі суперечки навколо того, яке конкретно кількість цих газів викличе потепління клімату й у якому ступені, а також як незабаром це відбудеться. Навіть коли зміна клімату дійсно відбувається, у цьому важко бути стопроцентно впевненим. Світові середні температури можуть сильно коливатися в межах декількох років і десятиліть - причому по природних причинах. Проблема в тім, що вважати середньою температурою, і на підставі яких критеріїв судити, чи дійсно вона змінилася в ту або іншу сторону.

Наприкінці вісімдесятих - початку дев'яностих років XX століття кілька років підряд середньорічна глобальна температура було вище звичайною. Це викликало побоювання в тім, що викликане людською діяльністю глобальне потепління вже почалося. Серед учених існує консенсус, що за останні сто років середньорічна глобальна температура піднялася на 0,3 - 0,6 градусів Цельсия. Однак серед них немає згоди в тім, що саме викликало це явище. Важко із упевненістю сказати, відбувається глобальне чи потепління ні, тому що спостережуваний ріст температури усе ще перебуває в межах природних температурних коливань.

Невизначеність у питанні глобального потепління породжує скепсис із приводу небезпеки, що загрожує. Проблема полягає в тім, що коли гіпотеза про антропогенних факторів глобального потепління підтвердиться, уже пізно буде що-небудь уживати.

Література

Агесс П. Ключі до екології С.-П.: Гидрометеоиздат, 1982

Боголюбов С.А. Екологія М.: Знання, 1997.

Костенко О.К. Екологія М.: Акваріум, 1997.

Новиков Ю.В. Екологія, навколишнє середовище й людина М.: Гранд, 1998