Парниковый эффект. Что это такое?

Соотношение количества кислорода и углекислого газа в атмосфере является чрезвычайно важным фактором условий существования жизни на Земле.

Высшие животные, в том числе и человек, не могут жить при парциальном давлении кислорода менее 50 мм рт. ст., что соответствует примерно 1/3 от его содержания в атмосфере на уровне моря. Такое давление кислорода имеет место на высоте 7 км. При больших высотах необходимо пользоваться кислородными приборами.

Геологи считают, что весь атмосферный кислород является продуктом жизнедеятельности растений и что количество кислорода в атмосфере, полученного за счет неорганического фотолиза паров воды ультрафиолетовым излучением Солнца, не может превышать 0,1% от его современного содержания.

Пороговая энергия светового кванта, способного произвести фотодисссоциацию молекулы водяного пара, лежит в области 6,2 эВ, что соответствует длине волны 200 нм.

Известный американский астрофизик Гарольд Юри доказал, что образующийся при фотодиссоциации водяного пара кислород сам сильно поглощает ультрафиолетовую компоненту солнечного спектра, препятствуя ее проникновению в нижние слои атмосферы и замедляя тем самым процесс фотодиссоциации водяного пара. Это стабилизирует концентрацию кислорода на очень низком уровне, который так и называется — уровень Юри.

Эта теория, по-видимому, и объясняет отсутствие кислорода в атмосферах практически всех планет Солнечной системы, кроме Земли, а стало быть, и жизни, основанной на фотосинтезе.

Атмосфера Земли стала быстро обогащаться свободным кислородом только после бурного развития растительной жизни на планете в начале каменноугольного периода, примерно 300-350 млн лет назад.

Высокая концентрация кислорода, которая в конце каменноугольного периода, по мнению М. Руттена, была почти в 2 раза больше современной, во многом способствовала возникновению гигантских насекомых и животного мира вообще.

Относительно изменения концентрации углекислого газа за всю геологическую историю Земли у геологов нет достаточно четкого количественного представления.

Считается, что углекислый газ попадает в атмосферу в основном за счет вулканической активности Земли.

Однако в атмосферах большинства планет Солнечной системы углекислого газа существенно больше, чем в атмосфере Земли.

Как мы уже видели, значительная часть углекислого газа была выведена из атмосферы Земли в результате эволюции органической жизни. Кроме того, часть углекислоты растворена в водах океанов.

Хотя океанологи считают, что содержание СО2 в океанических водах никогда сильно не отличалось от современного, иначе океанические осадки имели бы совершенно иной состав по сравнению с тем, что наблюдается теперь.

Тем не менее некоторые колебания концентрации СО2, обусловленные процессами горообразования, имевшими циклический характер, и усиленим вулканической активности в эти периоды, вполне могли иметь место и приводить к изменениям общего климата Земли в результате парникового эффекта.

Что же это такое — парниковый эффект, о котором теперь так много спорят?

Температура на поверхности Земли определяется очень точным и не очень устойчивым балансом энергии, поступающей на Землю от Солнца, с одной стороны, и тепловым излучением поверхности Земли и приповерхностными слоями атмосферы — с другой.

Тепло земных недр также оказывает небольшое влияние на общий баланс температуры Земли, в основном через вулканические выбросы в атмосферу пепла и газов, меняющих ее прозрачность как для солнечного света, так и для теплового излучения ее поверхности.

В основном поверхность Земли греет Солнце. Это 1353 Вт/м2 для тропического пояса в ясный полдень и около 0,5 кВт/м2 вблизи полярного круга летом.

Часть солнечного света рассеивается и отражается от облаков, ледников, поверхности океанов и суши и уходит назад в космическое пространство.

Доля отраженного солнечного света по интенсивности называется альбедо и сильно зависит от целого ряда местных условий: широты, времени года и суток, плотности облаков (т. е. погоды), свойств поверхности и т. д. Поэтому альбедо для данного региона меняется в довольно широких пределах.

Стало быть, меняется и доля энергии Солнца, поглощенная поверхностью Земли и поддерживающая ее температуру. Отсюда и довольно резкая смена температур летом и зимой в средних широтах, которая определяется не только изменением высоты Солнца над горизонтом, но и отражением солнечного света снежным покровом. Зимой снежный покров сильно отражает солнечный свет в космическое пространство, тем самым уменьшая количество тепла, поступающего на Землю. Поэтому смена летних и зимних температур в средних широтах более резкая, чем вблизи экватора.

Спектры падающего на Землю (и согревающего ее) солнечного излучения и теплового излучения ее поверхности (охлаждающего ее) сильно отличаются друг от друга. Интенсивность и спектр теплового излучения Земли очень сильно зависят от ее температуры — как четвертая степень абсолютной температуры. Это свойство теплового излучения открыл в 1879 г. известный австрийский физик Йозеф Стефан.

На рис. 13.1 приведены спектры солнечного излучения и спектры теплового излучения Земли для 7 (красный пунктир) и 22 (синие точки) °С, а также спектр излучения

Солнца (зеленая сплошная линия). Значения 7 и 22 °С — это средние температуры затененной и освещенной полусфер Земли, измеренные со спутников по интенсивности инфракрасного излучения. Это Планковские спектры для абсолютной температуры (282, 295 и 55 070 К).

Рис. 13.1. Спектры теплового излучения Земли и солнечного

излучения

В природе большая часть спектра излучения Солнца проходит через нынешнюю атмосферу Земли практически без поглощения и «застревает» на ее поверхности.

Для Земли среднее значение альбедо а является довольно постоянной величиной, равной 0,39, для других планет Солнечной системы значения а следующие: Меркурий — 0,056, Венера — 0,72, Марс — 0,154, Юпитер — 0,7, Сатурн — 0,75, Уран — 0,9, Нептун — 0,82, Плутон — 0,135, Луна — 0,067.

К чему приводит это различие, мы сейчас увидим.

Присутствующий в атмосфере озон значительно поглощает только самую коротковолновую часть спектра с длинной волны менее 0,3 мкм, спасая тем самым жизнь на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца, которое, скорее всего, гораздо более опасно для живых клеток, чем радиоактивность.

Наша цивилизация рубит и этот сук, без которого она не сможет существовать. Промышленные и бытовые выбросы хлор- и фторсодержащих газов, используемых в холодильной технологии и бытовой химии, разрушают этот тонкий слой озона каталитическим образом, т. е. не расходуясь при этом и накапливаясь в верхних слоях атмосферы.

Если Солнце по каким-либо причинам перегревает поверхность Земли, то интенсивность теплового излучения резко увеличивается и излишнее тепло рассеивается обратно в космос, стабилизируя тем самым температуру.

Углекислый газ, водяные пары, метан и целый ряд других органических «парниковых» газов присутствуют в атмосфере и поглощают часть теплового излучения Земли, но пропускают большую часть спектра солнечного излучения. На Венере достаточно большое значение альбедо а = 0,72, что почти в два раза больше, чем у Земли.

Такое значение а вполне могло бы компенсировать почти вдвое больший поток солнечной энергии. Если бы в атмосфере Венеры количество углекислоты было бы примерно такое же, как на Земле, то температура на ее поверхности могла бы быть вполне сносной — 10-20 °С.

Однако высокая концентрация углекислоты задерживает практически все тепловое излучение поверхности Венеры и увеличивает долю энергии Солнца, поглощаемой планетой, температура которой поднимается почти до 600 °С.

Оценки показывают, что если количество углекислого газа в атмосфере Земли увеличится хотя бы в два раза, то температура на ее поверхности увеличится на 10 °С.

В период с 1950 по 1980 гг. концентрация углекислого газа в атмосфере выросла на 12 %. Если дело пойдет и дальше такими темпами, то через 100-120 лет количество углекислоты в атмосфере удвоится. Мы уже видели, что если сжечь весь уголь, то количество СО2 увеличится в 8 раз.

В этом случае жизнь на Земле, во всяком случае в ее нынешних формах, может прекратиться.

Точно рассчитать температурный режим поверхности Земли — довольно сложная многопараметровая системная задача с очень сложными временными составляющими. Так, например, количество углекислоты в атмосфере зависит не только от выбросов дымовых труб или вулканов, но также и от поглощения ее океаническими и лесными организмами.

Атмосферные потоки и океанические течения переносят огромное количество тепла и сильно влияют друг на друга. Установление теплового равновесия имеет резко выраженный колебательный характер, что четко видно на рис. 12.1.

Климатологи только-только начинают осваиваться с подобного рода задачами, используя современные вычислительные методы системного анализа и современные мощные компьютеры.

Большое число неустоявшихся моделей приводит подчас к совершенно противоположным выводам и прогнозам, но одно уже ясно и не вызывает сомнений ни у кого: человеческая цивилизация оказывает заметное влияние на глобальные процессы в природе — и отнюдь не в лучшую сторону для самой цивилизации.

Тем не менее средние значения температуры, не вдаваясь в сложную динамику процессов, оценить все же несложно.

Тепловой баланс на Земле складывается из четырех основных частей. Количество энергии, поставляемой на Землю при облучении ее солнечным светом, обозначим через Wc = kR2C. Здесь R — радиус земного диска, освещаемого Солнцем, а С — солнечная постоянная, т. е. поток солнечной энергии, приходящий на единицу поверхности Земли по нормали в направлении Солнца.

Часть этой энергии уходит назад в космос за счет рассеяния в атмосфере и на поверхности. Эта доля, как мы уже знаем, называется альбедо.

Значит, энергия, уходящая с Земли в результате рассеяния, Wa = aWc.

Оставшаяся часть, прошедшая через атмосферу, поглощается поверхностью Земли и нагревает ее и нижние слои атмосферы.

Процесс изменения температуры на поверхности Земли происходит со значительными временными задержками относительно изменяющихся условий хотя бы потому, что Земля вращается и вокруг Солнца и вокруг своей оси.

Рис. 13.2. Спектр электромагнитного излучения, подчиняющийся закону излучения черного тела

Всякое нагретое тело излучает энергию в виде электромагнитного излучения (рис. 13.2). Полная интенсивность описывается законом Стефана-Больцмана: Wt = = 4 лЕ2оТ4.

Здесь мы должны учесть полную поверхность Земли 4kR2, так как нагревается только освещенная часть, а тепловое излучение испускает вся поверхность. Это излуче

ние частично уходит через атмосферу в космос, а частично поглощается парниковыми газами в атмосфере и не покидает Землю, нагревая ее.

Такие газы, как СО2, пары воды, метан и некоторые другие, называются парниковыми. Дело в том, что колебательно-вращательные спектры поглощения этих молекул лежат как раз в области максимальной интенсивности теплового излучения Земли. Они приведены на рис. 13.2.

Основную роль в поглощении теплового излучения играют водяные пары и углекислый газ. При высокой концентрации в атмосфере они могут поглотить соответственно 30 и 34% теплового излучения Земли, т. е. более половины.

Пусть доля теплового излучения, поглощенная парниковыми газами в атмосфере, будет Ь.

Энергию, поглощенную в атмосфере, обозначим через

Составляя полный баланс энергии, получаем:

Подставляя в выражение для баланса энергии значения составляющих и разрешая относительно Т, получаем:

Графики зависимости средней температуры планеты от доли перепоглощенной солнечной энергии b для Земли и Венеры приведены на рис. 13.3.

Несмотря на достаточно грубые приближения, сделанные выше, формула, описывающая зависимость средней температуры планеты от величины коэффициента пере- поглощения теплового излучения в ее атмосфере, дает удивительно близкие результаты к тому, что мы наблюдаем в действительности, и позволяет сделать три важных вывода.

Во-первых, если бы не было поглощения части теплового излучения в атмосфере, то средняя температура

Земли была бы около 25 °С и вода находилась бы в замерзшем состоянии. Возможно, что в этом случае океаны и не промерзли бы до дна, хотя бы в экваториальном поясе, но вряд ли на планете была бы возможна жизнь в ее нынешних формах.

Рис. 13.3. а — Земля, б — Венера

Замерзшая вода в виде льда и снега привела бы к увеличению среднего альбедо Земли, и температура упала бы еще ниже, чем это изображено на рис. 13.3, а) в точке 6 = 0. Это означает, что небольшое присутствие парниковых газов (преимущественно водяных паров) в атмосфере необходимо для стабилизации температуры поверхности Земли выше точки замерзания воды.

Даже небольшое уменьшение поглощения тепла в атмосфере, которое потом, благодаря атмосферной циркуляции, снова возвращается к поверхности Земли, легко приводит к оледенению поверхности, которое, естественно, начинается в северных широтах.

Во-вторых, небольшое увеличение 6 за счет увеличения концентрации СО2 приводит к увеличению температуры, таянию ледников, уменьшению альбедо и, следовательно, к новому увеличению температуры.

Может так случится, что парниковый эффект на каком-то этапе сработает просто как спусковой механизм необратимого процесса потепления.

В-третьих, к аналогичным результатам приводит и изменение альбедо в сторону увеличения, даже если Солнце греет в два раза сильнее.

Точка b = 0 на рис. 13.3, б) — это Венера при отсутствии в ее атмосфере большого количества углекислого газа.

На Венере b практически близко к 1, но если бы b было хотя бы на треть меньше, то температура на ее поверхности была бы вполне сносной для существования жизни, подобной нашей.

Почему на Венере так много свободной углекислоты, а на Земле большая часть окиси углерода связана в коре в виде карбонатов, т. е. в виде известняков, мела, мрамора и океанических донных отложений — это пока не очень понятно. Для этого нужны более детальные исследования горных пород, из которых состоит кора Венеры, с помощью космических автоматических станций. Такие программы существуют, но пока только в Америке.

На сегодняшний день сложилась такая ситуация, что человек, не очень думая о последствиях, в состоянии очень быстро изменить сложившийся на протяжении тысячелетий тепловой баланс планеты.

Для того чтобы концентрация СО2 увеличилась вдвое, достаточно сжечь примерно 1012 т органического топлива. При нынешних темпах на это уйдет всего 50-100 лет, этот срок зависит от того, будем ли мы продолжать «топить ассигнациями», как это очень прозорливо заметил Д.И. Менделеев еще в начале XX в., или все-таки перейдем на атомную энергетику в полном объеме, хотя бы временно, еще лет на 50, пока не придумаем что-нибудь более приемлемое.

В 1950 г. Игорь Евгеньевич Тамм и Андрей Дмитриевич Сахаров предложили новый принцип получения энергии путем использования управляемого термоядерного синтеза. Поначалу они предполагали, что на реализацию этого метода понадобится лет 20-30. Но вот прошло уже с тех пор 50 лет, а конца только физическим опытам пока не видно. Хотя физики надежды и оптимизма не теряют.

Но надо поспешать. Домино может упасть гораздо скорее, чем многие думают. Использование энергии ветра и падающей воды, конечно, дело полезное, но принципиально проблемы решить не может. Это только дополнительные, локальные возможности, которые необходимо развивать, несмотря на их трудно решаемые экономические проблемы.

Относительно возможности изменить альбедо, тут тоже все в наших силах. Для этого можно, например, просто разом рвануть десяток-другой водородных бомб (а в драке, как известно, волос не жалеют, в раж войдя, можно и в 10 и в 100 раз больше). Этого будет вполне достаточно.

Более точную оценку, сколько именно надо, чтобы нарушить равновесие, сделал в 1976 г. академик Н.Н. Моисеев со своими сотрудниками из Вычислительного центра АН СССР и сам удивился, как мало для этого надо. Генералы ему вначале не поверили. Но американцы все пересчитали и пришли к тем же самым результатам.

Я думаю, что договор между США и СССР о сокращении общего количества атомных боеголовок стал возможным только благодаря работам группы Н.Н. Моисеева по расчетам последствий атомной войны, профессора Сагана в Америке и профессора Поля Крутцена в Европе. Генералам, и нашим, и американским, стало ясно: победить невозможно.

О том, как они пришли к концепции «ядерной зимы» Никита Николаевич рассказывает в своей книге «Экология человечества глазами математика», вышедшей в издательстве «Молодая гвардия» в 1988 г.

Эти работы по математическому моделированию экологических процессов, происходящих в биосфере Земли, на основе системного подхода и использования современных ЭВМ привели к предсказанию ряда неожиданных, но очень важных для практической деятельности результатов, из которых парадокс «атомной зимы» представляет собой лишь один из частных случаев.

Подобного рода работы были начаты и в Америке и дали ученым, работающим в области наук о Земле, совершенно новые возможности.

В науках о Земле и ее биосфере, таких, как геология или палеонтология, делались выводы на основе «эмпирического обобщения», по терминологии В.И. Вернадского. Математическое моделирование позволяет разыгрывать сценарии сложных динамических процессов, происходящих в окружающей среде по схеме «если..., то... ». В ряде случаев это позволяет получать весьма неожиданные результаты.

В конце 80-х годов в ВЦ АН СССР сотрудниками Н.Н. Моисеева был проведен машинный эксперимент по системной программе «Гея», в которой рассчитывалось, как скажется на климате отдельных регионов и продуктивности биоты увеличение в два раза концентрации углекислоты в атмосфере Земли, независимо от причин, по которым это может произойти. Результаты оказались следующими.

Целому ряду засушливых зон и саванн Африки и Центральной Азии суждено превратиться в зоны пустынь. И наоборот, в Европе, Северной Азии и на западе Северной Америки климат станет более влажным. Но в целом в масштабах планеты суммарная продуктивность биоты в пределах точности модели не изменится.

Для нас это проявится в значительном уменьшении влажности степной зоны от Молдавии до Алтая и улучшении условий земледелия в русском Нечерноземье, Белоруссии и прибалтийских республиках.

Есть над чем подумать нашим макроэкономистам и геополитикам.

Такие параметры атмосферы Земли, как величина альбедо и поглощение теплового излучения в атмосфере, видимо, не раз менялись на протяжении геологической истории Земли. Одним из механизмов таких изменений может быть столкновение Земли с крупными метеоритами, этот вопрос рассматривался в гл. 10.

Совсем не исключено, что 65 млн лет назад произошел один из таких случаев, когда Земля столкнулась с астероидом диаметром около 1 км. Кратер от этого удара находится на Северном Урале. Его диаметр 60 км. Кратер такого диаметра мог образоваться в результате взрыва, по мощности равного одновременному взрыву нескольких тысяч водородных бомб в 1 Мт.

Этого было вполне достаточно для того, чтобы резко изменить климат Земли на многие тысячи лет и привести к довольно резкому изменению флоры и фауны Земли в последующие эпохи.

Быстрое похолодание привело к вымиранию динозавров и расцвету теплокровных животных, млекопитающих и птиц, которые сумели лучше приспособиться к более суровым условиям существования и потеряли естественных врагов.

В 1982 г. английский метеоролог Дж. Фарман обнаружил значительное увеличение интенсивности ультрафиолетовой компоненты в спектре солнечного излучения над Антарктидой, которое геофизики очень быстро связали с уменьшением концентрации озона в стратосфере.

Атмосферный озон играет существенную роль в поглощении солнечного ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 280-320 нм. Слой атмосферного озона возник практически одновременно с кардинальным изменением состава земной атмосферы в результате начавшегося процесса фотосинтеза в зеленых растениях 500-600 млн лет назад.

Увеличение температуры атмосферы с высотой обусловлено именно поглощением коротковолнового излучения Солнца в верхней атмосфере выше уровня Юри. Не будь озонового слоя, эта часть излучения достигала бы земной поверхности, что губительным образом сказалось бы на флоре и фауне Земли.

Уменьшение концентрации озона в стратосфере также крайне опасно, так как за многие миллионы лет эволюции живые организмы на Земле не приспособились к облучению коротковолновым ультрафиолетом, а эта область спектра интенсивно поглощается клетками в результате электронно-колебательных переходов в белковых молекулах.

Наземные и спутниковые измерения показали глобальное снижение концентрации озона. Во время антарктической весны (в сентябре и октябре) увеличение интенсивности ультрафиолетовой радиации там доходит до 60 % и частично захватывает заселенные регионы Австралии, хотя и не столь значительно.

Геофизики сразу высказали предположение о причинах уменьшения толщины озонового слоя как результате выбросов в атмосферу галогеносодержащих органических соединений, преимущественно фтора и хлора, так называемых ХФУ, или хлорфторуглеродов.

Эти вещества являются побочными продуктами алюминиевой и холодильной промышленности, а также входят в состав газов, применяемых в бытовой химии для наполнения баллончиков с различного рода растворителями, красками, парфюмерией, инсектицидами и т. д. Наиболее опасными веществами, разрушающими озонный слой, являются четыреххлористый углерод и метил- хлороформ.

Попытки предотвращения дальнейшего истощения озонового слоя сейчас осуществляется международными соглашениями в виде Монреальского протокола и поправок к нему, которые предусматривают прекращение производства и использования ХФУ в ближайшие несколько лет. В результате, как ожидают, через 50 лет или около того озоновый слой должен восстановиться, в то время как содержание в атмосфере озоноразрушающих ХФУ и других веществ должно постепенно уменьшиться.