Парниковый эффект в атмосфере: чем вызван и как влияет на глобальное потепление?

Принцип действия и причины парникового эффекта

Тепличный эффект, как еще называют парниковый, заключается в проникновении коротковолновых излучений Солнца к поверхности Земли, чему способствует углекислый газ. При этом тепловое излучение Земли (длинноволновое) задерживается. Вследствие этих упорядоченных действий осуществляется длительный нагрев нашей атмосферы.


Также суть парникового эффекта можно рассматривать как возможность повышения глобальной температуры Земли, которое может произойти в результате значительных изменений теплового баланса. Подобный процесс может обусловить постепенное накопление в атмосфере нашей планеты парниковых газов.

Самой явной причиной возникновения парникового эффекта называют попадание промышленных газов в атмосферу. Получается, что негативные результаты деятельности человека (лесные пожары, автомобильные выбросы, работа разных промышленных предприятий и сжигание топливных остатков) становятся прямыми причинами потепления климата. Выведение лесов – тоже одна из таких причин, так как именно леса являются самыми активными поглощателями углекислого газа.

Если нормированным для живых организмов, то экосистемам Земли и людям нужно будет пытаться приспособиться к измененным климатическим режимам. Однако наиболее разумным решением все же будет сокращение и последующее регулирование выбросов.

Если не остановить его нарастание, равновесие на Земле может нарушиться. Изменится климат, придёт голод и болезни. Учёные разрабатывают разные меры борьбы с проблемой, которая должна стать глобальной.

История исследований

Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли, при этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).

При рассмотрении влияния атмосферы на радиационный баланс Фурье проанализировал опыт Ораса-Бенедикта де Соссюра[] с зачернённым изнутри сосудом, накрытым стеклом. Де Соссюр измерял разность температур внутри и снаружи такого сосуда, выставленного на прямой солнечный свет. Фурье объяснил повышение температуры внутри такого «мини-парника» по сравнению с внешней температурой действием двух факторов: блокированием конвективного теплопереноса (стекло предотвращает отток нагретого воздуха изнутри и приток прохладного снаружи) и различной прозрачностью стекла в видимом и инфракрасном диапазоне.

Именно последний фактор и получил в позднейшей литературе название парникового эффекта — поглощая видимый свет, поверхность нагревается и испускает тепловые (инфракрасные) лучи; поскольку стекло прозрачно для видимого света и почти непрозрачно для теплового излучения, то накопление тепла ведёт к такому росту температуры, при котором количество проходящих через стекло тепловых лучей достаточно для установления равновесия.

Фурье постулировал, что оптические свойства атмосферы Земли аналогичны оптическим свойствам стекла, то есть её прозрачность в инфракрасном диапазоне ниже, чем прозрачность в диапазоне оптическом, однако количественные данные по поглощению атмосферы в инфракрасном диапазоне долгое время являлись предметом дискуссий.

В 1896 году Сванте Аррениус, шведский физико-химик, для количественного определения поглощении атмосферой Земли теплового излучения проанализировал данные Сэмюэла Лэнгли о болометрической светимости Луны в инфракрасном диапазоне. Аррениус сравнил данные, полученные Лэнгли при разных высотах Луны над горизонтом (то есть при различных величинах пути излучения Луны через атмосферу), с расчётным спектром её теплового излучения и рассчитал как коэффициенты поглощения инфракрасного излучения водяным паром и углекислым газом в атмосфере, так и изменения температуры Земли при вариациях концентрации углекислого газа. Аррениус также выдвинул гипотезу, что снижение концентрации в атмосфере углекислого газа может являться одной из причин возникновения ледниковых периодов.

Причины

Планета Земля уже проходила парниковый эффект и глобальное потепление, и, вероятно, без таких явлений человечество и всё живое не смогло бы развиваться и нормально жить. Много веков назад процессы запустились из-за высокой активности многочисленных вулканов, продукты извержения которых попадали в атмосферу. Но по мере распространения растительности на планете уровень газов снизился, и ситуация стабилизировалась.

В современном мире парниковый эффект обусловливается следующими причинами:

  • Активное и бесконтрольное применение различных извлекаемых из недр Земли полезных ископаемых, обладающих горючими свойствами. Человечество стремится использовать все дары планеты, но делает это крайне необдуманно и грубо: в процессе сжигания и горения в окружающую среду ежедневно выбрасывается огромное количество различных загрязняющих атмосферу продуктов распада, а также углекислого газа.
  • Активная вырубка лесов на всей Земле, которая в последнее время приобрела просто огромные масштабы. Деревья вырубаются, в основном, с целью использования в качестве топлива, но иногда осуществляется расчистка территорий под строительство. Так или иначе, уменьшение количества зелёных растений изменяет состав воздуха. Листва поглощает углекислый газ и выделяет кислород. И чем меньше растительности на планете, тем выше концентрация веществ, уплотняющих атмосферу и усиливающих эффект парника.
  • Огромное количество транспорта, работающего на бензине. В процессе его эксплуатации вырабатываются и сразу попадают в воздух выхлопные газы. Они устремляются вверх, проникают в нижние атмосферные слои и делают их ещё более плотными, усиливая эффект парниковый.
  • Развитию парникового эффекта в атмосфере способствует стремительный рост численности населения. Каждый человек, вдыхая кислород, выдыхает углекислый газ, а он, как известно, является основной развития эффекта парника.
  • Лесные пожары, которые возникают всё чаще из-за погодных изменений и халатности людей, также усугубляют ситуацию с парниковым эффектом. Ежегодно сгорает огромное количество деревьев, и это значит, что выделяются невероятные объёмы углекислого газа, попадающего в воздух и атмосферу.
  • Многочисленные свалки, заполонившие поверхность Земли, в процессе гниения отходов выделяют метан и прочие вредные вещества, сильно загрязняющие нижние атмосферные слои.
  • Стремительные темпы развития промышленности. Различные перерабатывающие заводы и прочие промышленные компании выделяют огромное количество выхлопов и паров, попадающих практически сразу в атмосферу и провоцирующих эффект парника.
  • Внедрение во все сферы жизни химических и синтетических веществ. Они содержатся в удобрениях, таре, одежде, продуктах питания и прочих продуктах современного производства. Некоторые соединения не разлагаются и выделяют пары, устремляющиеся в атмосферу.

Явные причины глобального потепления

Глобальное потепление и парниковый эффект — понятия взаимосвязанные. Тепличный или парниковый эффект и его воздействие представлено коротковолновыми излучениями Солнца, проникающими в атмосферу Земли из-за того, что в ней содержится углекислый газ. В результате тепловое излучение Земли, называемое длинноволновым, задерживается. Упорядоченные действия вызовут длительный нагрев атмосферы.

Явление основывается на росте глобальной температуры Земли, способствуя изменению теплового баланса. Этот процесс становится результатом того, что в атмосфере происходит накапливание парниковых газов, которые и обуславливают последствия парникового эффекта.

Причины возникновения парникового эффекта достаточно разнообразны. Какова основная из них? Это промышленные газы. Другими словами, деятельность человека имеет негативные результаты, приводя к изменению климата. Такой деятельностью является:

  • использование остатков топлива
  • транспортные выбросы
  • лесные пожары
  • функционирование всевозможных предприятий

Парниковый эффект возникает во многом из-за того, что человек занимается уничтожением лесов, а лес является основным поглотителем углекислого газа.

Среди других причин появления проблемы в атмосфере можно выделить следующие:

Использование в промышленности разнообразных горючих полезных ископаемых, которые сжигаются, выделяя большое количество вредных соединений. Активное использование транспорта повышает выделение выхлопных газов. Они не только загрязняют воздух, но и усиливают действие явления. Лесные пожары

Эта проблема является важной, так как в последнее время она приводит к серьезному уничтожению лесов. Рост населения. Это повышает спрос на одежду, продукты питания, дома, способствуя увеличению предприятий и, как результат, более интенсивному загрязнению планеты. Использование удобрений и агрохимии, которые содержат вредные вещества, а также выделяют азот. Горение или разложение мусора

В результате повышается количество парниковых газов в атмосфере.

Действия, способные спасти Землю

На сегодняшний день известны все вредные факторы, которые приводят к накоплению парниковых газов, и мы знаем, что нужно делать, чтобы это остановить. Не стоит думать, что один человек ничего не изменит. Конечно, эффекта может добиться только все человечество, но кто знает – может, еще сотня людей в этот момент читает подобную статью?

Сохранение лесов

Остановка вырубки лесов. Растения – наше спасение! Кроме того, нужно не только сохранять существующие леса, но и активно высаживать новые.


Понять эту проблему должен каждый человек.

Фотосинтез настолько силен, что способен обеспечить нас огромным количеством кислорода. Его хватит для нормальной жизни людей и устранения вредных газов из атмосферы.

Использование электромобилей

Отказ от использования автомобилей на топливе. Каждый автомобиль выделяет огромное количество парниковых газов в год, так почему бы не сделать выбор в пользу здоровья окружающей среды? Ученые уже предлагают нам электромобили – экологически чистые машины, которые не используют топливо. Минус «топливный» автомобиль – еще один шаг к устранению парниковых газов. Во всем мире пытаются ускорить этот переход, но пока современные разработки таких машин далеки от совершенства. Даже в Японии, где наибольшее использование таких автомобилей, не готовы полностью переходить на их использование.

Альтернатива углеводородному топливу

Изобретение альтернативной энергии. Человечество не стоит на месте, так почему же мы «застряли» на использовании угля, нефти и газа? Сжигание этих природных компонентов приводит к накоплению парниковых газов в атмосфере, поэтому пора перейти на экологически чистый вид энергии.

Мы не можем полностью отказаться от всего того, что выделяет вредные газы. Зато мы можем способствовать увеличению кислорода в атмосфере. Не только настоящий мужчина должен посадить дерево – это обязан сделать каждый человек!

Что главное в решении любой проблемы? Не закрывать на нее глаза. Возможно, мы не замечаем вреда от парникового эффекта, но это точно заметят последующие поколения. Мы можем прекратить сжигать уголь и нефть, сохранить природную растительность планеты, отказаться от обычного автомобиля в пользу экологически чистого – и все для чего? Для того чтобы наша Земля существовала и после нас.

Однажды Филипп де Соссюр провел опыт: выставил на солнце стакан, накрытый крышкой, после чего измерил температуру внутри стакана и снаружи. Температура внутри и за его пределами различалась — в закрытом стакане она была немного теплее. Чуть позже, в 1827 году физик Жозеф Фурье выдвинул гипотезу, что стакан на подоконнике может служить моделью нашей планеты — под слоями атмосферы происходит то же самое.

И он оказался прав, ныне каждый школьник хоть раз слышал термин «парниковый эффект», это то, что сейчас происходит с Землей , то, что сейчас происходит с нами. Проблема парникового эффекта — одна из глобальных экологических проблем , которая может повлечь за собой катастрофический ущерб для нашей планеты, ее флоры и фауны . Чем опасен парниковый эффект? Каковы его причины и последствия? Существуют ли пути решения данной проблемы?

Причины возникновения

Природа явления объясняется различной прозрачностью атмосферы для излучения из космоса и от поверхности планеты. Для солнечных лучей атмосфера планеты прозрачна, как стекло, и поэтому они легко проходят сквозь нее. А для теплового излучения нижние слои атмосферы «непробиваемы», слишком плотные для прохождения. Потому-то часть теплового излучения остается в атмосфере, постепенно опускаясь к самым нижним ее слоям. При этом количество парниковых газов, уплотняющих атмосферу, растет.

Еще в школе нас учили, что основная причина парникового эффекта – деятельность человека. Эволюция привела нас к промышленности, мы сжигаем тонны угля, нефти и газа, получаем топливо, Следствие этого – выделение парниковых газов и веществ в атмосферу. Среди них – водяной пар, метан, углекислый газ, оксид азота. Почему они так названы, понятно. Поверхность планеты нагревается солнечными лучами, но обязательно «отдает» часть тепла обратно. Тепловое излучение, которое исходит от поверхности Земли, называется инфракрасным.

На пути к более реалистичному представлению парникового эффекта

С этой точки зрения, способность CO2 нагревать климатическую систему зависит от ее способности изменять среднюю высоту, на которой ИК-излучение выходит из атмосферы. При увеличении концентрации ПГ высота излучения увеличивается с увеличением количества этих молекул: чтобы найти ту же самую концентрацию, нужно подниматься все выше и выше.

В предыдущей модели с одинарным непрозрачным стеклом вертикальный градиент неявно предполагался равным нулю. Другими словами, увеличение высоты выброса ничего не изменило, потому что температура осталась прежней. И наоборот , при наличии отрицательного вертикального градиента любое увеличение высоты выброса вызовет уменьшение исходящего потока энергии. Диаграмма ниже наглядно иллюстрирует этот эффект.

Высота излучения до (слева) и сразу после (справа) возмущения. Излучение происходит при более холодной температуре. Этот радиационный дисбаланс вызывает потепление.

На этот раз излучение будет происходить при более низкой температуре. Таким образом, исходящий инфракрасный поток будет меньше входящего солнечного потока. Радиационный дисбаланс, ответственный за накопление энергии и, следовательно, за потепление климатической системы. В последнем будет наблюдаться повышение температуры до тех пор, пока он не достигнет нового равновесия с выходящим потоком, снова равным входящему потоку. Новая высота выброса достигла температуры предыдущей высоты выброса.

Таким образом, мы можем понять, как CO2 может согреть климат, несмотря на почти полную поглощающую способность. Чтобы лучше представить вещи, приведем аналогию. Представьте себе резервуар для воды, который постоянно подается из-под крана и опорожняется пробкой. Уровень воды (обозначающий тепло) может увеличиться, если кран открыть более широко или если пробка частично заблокирована. Здесь важен последний эффект (уменьшение исходящего потока).

Опасный потенциал

Усиление парникового эффекта происходит ежегодно. Это связано с нарушением энергетического баланса, который основан на взаимодействии Мирового океана и атмосферы. Циркуляция водных масс и основные течения влияют на планетарный климат. Опасный потенциал имеет смена движения Гольфстрима из-за климатических изменений.

Сначала XX века доля парниковых газов продолжает расти, увеличивая интенсивность с каждым годом. Большая часть из них приходится на двуокись углерода. На сегодня именно CO2 отдается главная роль среди всех причин глобального потепления.


Для климатических процессов губительным оказывается постоянное увеличение источников метана. Среди них основные это: сокращение растительных площадей и активное развитие животноводства. В перспективе метановые выбросы более опасны (период распада 10 лет).

Советуем почитать: Где используется ртуть в промышленности и в быту?

Итоговое пребывание половины парниковых газов в атмосфере достигает 200 лет, остальной объём поглощается растительностью, водными массами. Перемешанные парниковые газы способствуют задержанию исходящей от земной поверхности тепловой энергии.

Образование мелких аэрозольных частиц возникает из-за лесных пожаров, выбросов транспорта. Объемы, находящиеся во взвешенном состоянии приводят к замутнению слоев тропосферы и повышению облачного покрова.

Парниковый эффект: причины и последствия

Первое упоминание о природе парникового эффекта появилось в 1827-м в статье ученого-физика Жана Батиста Жозефа Фурье. Его труды были основаны на опыте швейцарца Никола Теодора де Соссюра, который измерил температуру внутри сосуда с затемненным стеклом, когда его поставили под солнечный свет. Ученый выяснил, что температура внутри выше из-за того, что тепловая энергия не может пройти сквозь мутное стекло.

На примере этого опыта Фурье описал, что не вся солнечная энергия, достигающая поверхности Земли, отражается в космос. Парниковый газ удерживает в нижних слоях атмосферы часть тепловой энергии. Он состоит из:

  • углекислоты;
  • метана;
  • озона;
  • водяного пара.

Что такое парниковый эффект? Это увеличение температуры нижних атмосферных слоев из-за скопления тепловой энергии, которую удерживают парниковые газы. Атмосфера Земли (ее нижние слои) из-за газов получается достаточно плотной и не пропускает в космос тепловую энергию. В результате поверхность Земли нагревается.

По состоянию на 2005 год среднегодовая температура земной поверхности выросла на 0,74 градуса за последнее столетие. В ближайшие годы ожидается ее стремительное повышение по 0,2 градуса за каждое десятилетие. Это необратимый процесс глобального потепления. Если динамика сохранится, то через 300 лет произойдут непоправимые экологические изменения. Поэтому человечеству грозит вымирание.

Ученые называют такие причины возникновения глобального потепления, как:

масштабная промышленная деятельность человека. Она ведет к увеличению выброса газов в атмосферу, что изменяет ее состав и приводит к росту запыленности;

  • сжигание ископаемого топлива (нефти, угля, газа) на тепловых электростанциях, в двигателях автомобилей. В результате увеличиваются выбросы углекислоты. Кроме того, растет интенсивность энергопотребления — при увеличении населения земного шара на 2% в год потребность в энергии увеличивается на 5%;
  • бурное развитие сельского хозяйства. Результат — увеличение выбросов метана в атмосферу (чрезмерная выработка удобрений из органики в результате гниения, выбросы из биогазовых станций, увеличение количества биологических отходов при содержании скота/птицы);
  • увеличение количества свалок, из-за чего растут выбросы метана;
  • вырубка лесов. Она приводит к замедлению поглощения углекислого газа из атмосферы.

Последствия глобального потепления чудовищны для человечества и жизни на планете в целом. Итак, парниковый эффект и его последствия вызывают цепную реакцию. Убедитесь в этом сами:

1. Самая большая проблема заключается в том, что из-за повышения температуры на поверхности Земли начинают таять полярные льды, из-за чего повышается уровень моря.

2. Это приведет к затоплению плодородных земель в долинах.

3. Затопление крупных городов (Санкт-Петербург, Нью-Йорк) и целых стран (Нидерланды) приведет к социальным проблемам, связанным с необходимостью переселения людей. В итоге возможны конфликты и массовые беспорядки.

4. Из-за прогревания атмосферы период таяния снегов сокращается: они тают быстрее, а сезонные дожди быстрее заканчиваются. В результате увеличивается количество засушливых дней. По подсчетам специалистов, при повышении среднегодовой температуры на один градус около 200 млн га лесных массивов превратятся в степи.

5. Из-за уменьшения количества зеленых насаждений снизится переработка углекислого газа в результате фотосинтеза. Парниковый эффект усилится, и глобальное потепление ускорится.


6. Из-за нагревания поверхности Земли увеличится испарение воды, что усилит парниковый эффект.

7. Из-за повышения температуры воды и воздуха возникнет угроза для жизни ряда живых существ.

8. Из-за таяния ледников и роста уровня Мирового океана сдвинутся сезонные границы, участятся климатические аномалии (штормы, ураганы, цунами).

9. Рост температуры на поверхности Земли негативно скажется на здоровье людей, а кроме того, спровоцирует развитие эпидемиологических ситуаций, связанных с развитием опасных инфекционных заболеваний.

Пути решения проблемы

Международное сообщество постоянно разрабатывает и усовершенствует новые направления по сокращению выбросов парниковых газов. Экополитика направлена на снижение топливного потребления. Эта мера выполнима при переходе на безтопливный транспорт.

Наложение запрета на вырубку лесов влияет на улучшение состояния экосистемы, так как именно растительность поглощает до половины CO2. Сохраненные лесные участки в тропических странах оптимизировали мировые индексы по выбросу газов.

Советуем почитать: Что можно сделать из переработанного пластика?

Международные экологические организации контролируют деятельность газо- и нефтеперерабатывающих компаний по метановым выбросам во многих странах.

Производство газовых водонагревателей и бойлеров по установленным европейским стандартам обязано соблюдать требования по выбросу углекислоты во время их работы.

Возобновляемая энергия — вызов парниковым газам

С экологической точки зрения все большую известность набирает биоэнергетика. Инвестиции, вкладываемые в эту отрасль неуклонно растут. Под биоэнергетикой понимают получение энергии вследствие естественных процессов, которые регулярно протекают в природе

Солнечный свет, ветер, приливы, водные потоки представляют важное значение для технических нужд

При возобновляемой энергии работа ветряных, солнечных, гидравлических станций сопровождается «нулевой эмиссией CO2». На основе технологий энергосбережения во Франции построена фотоэлектрическая станция — Cestas. Лидерские позиции по ветроэнергетике занимают Китай и США.

Для получения биотоплива (этанола), способного ликвидировать парниковые газы от сжигания топлива во многих странах мира, выращивают энергетические культуры. В Северной Америке «зеленое топливо» вырабатывают из рисовой, зерновой целлюлозы, в Бразилии из сахарного тростника.

Уменьшение выбросов парниковых газов

С каждым годом экологическое состояние планеты ухудшается. Поэтому уменьшению выбросов в атмосферу способствуют следующие меры:

  • модернизация промышленных производств;
  • охрана и возобновление лесных насаждений;
  • усовершенствование накопителей газообразных веществ;
  • финансовое стимулирование сниженными налогами при применении энергосбережения;
  • использование экотоплива и электромобилей;
  • введение штрафов за загрязнение окружающей среды.

Метан

См. также: Судд

Время жизни метана в атмосфере составляет примерно 10 лет. Сравнительно короткое время жизни в сочетании с большим парниковым потенциалом позволяет пересмотреть тенденции глобального потепления в ближайшей перспективе.

До последнего времени считалось, что парниковый эффект от метана в 25 раз сильнее, чем от углекислого газа. Однако теперь Межправительственная группа экспертов по изменению климата ООН (IPCC) утверждает, что «парниковый потенциал» метана ещё опаснее, чем оценивалось раньше. Как следует из доклада IPCC, который цитирует Die Welt, в расчете на 100 лет парниковая активность метана в 28 раза сильнее, чем у углекислого газа, а в 20-летней перспективе — в 84 раза.

В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, кишечнике жвачных животных) метан образуется биогенно в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов.

Основными антропогенными источниками метана являются животноводство, рисоводство, горение биомассы (в т. ч. сведение лесов).

Как показали недавние исследования, быстрый рост концентрации метана в атмосфере происходил в первом тысячелетии нашей эры (предположительно в результате расширения сельхозпроизводства и скотоводства и выжигания лесов). В период с по 1700 годы концентрация метана упала на 40 %, но снова стала расти в последние столетия (предположительно в результате увеличения пахотных земель, пастбищ и выжигания лесов, использования древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота, количества нечистот, выращивания риса). Некоторый вклад в поступление метана дают утечки при разработке месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия метана в составе биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов.

Анализ пузырьков воздуха в древних ледниках свидетельствует о том, что сейчас в атмосфере Земли больше метана, чем в любое время за последние 400000 лет. С 1750 года средняя глобальная атмосферная концентрация метана возросла на 257 процентов от приблизительно 723 до 1859 частей на миллиард по объёму (ppbv) в 2017 году. За последнее десятилетие, хотя концентрация метана продолжала расти, скорость роста замедлилась. В конце 1970-х годов темпы роста составили около 20 ppbv в год. В 1980-х годов рост замедлился до 9—13 ppbv в год. В период с 1990 по 1998 наблюдался рост между 0 и 13 ppbv в год. Недавние исследования (Dlugokencky и др.) показывают устойчивую концентрацию 1751 ppbv между 1999 и 2002 гг.

Метан удаляется из атмосферы посредством нескольких процессов. Баланс между выбросами метана и процессами его удаления в конечном итоге определяет атмосферные концентрации и время пребывания метана в атмосфере. Доминирующим является окисление с помощью химической реакции с гидроксильными радикалами (ОН). Метан реагирует с ОН в тропосфере, производя СН3 и воду. Стратосферное окисление также играет некоторую (незначительную) роль в устранении метана из атмосферы. На эти две реакции с ОН приходится около 90 % удаления метана из атмосферы. Кроме реакции с ОН известно ещё два процесса: микробиологическое поглощение метана в почвах и реакция метана с атомами хлора (Cl) на поверхности моря. Вклад этих процессов 7 % и менее 2 % соответственно.


С этим читают