И ЕГО РОЛЬ В БИОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССАХ

МЕХАНИЗМ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА

Образное название «парниковый эффект» получило при­родное явление, суть которого заключается в том, что атмо­сфера задерживает идущее от земной поверхности тепловое излучение (подобно пленке над огородным парником).

Энергия солнечной радиации всех длин волн, поступаю­щая на нашу планету в единицу времени на единицу площа­ди, нормальной к солнечным лучам, — солнечная постоян­ная — равна 1,4 кДж/см². Хотя она относительно невелика (равна одной двухмиллиардной доле всей излучаемой Солн­цем энергии), именно эта энергия определяет ход всех био­сферных процессов на Земле.

Из общего количества достигающей Земли энергии сол­нечной радиации атмосфера поглощает 20 %, а 34 % ее отра­жают облака атмосферы, находящиеся в ней аэрозоли, сама поверхность Земли и уходит в космос. Оставшаяся часть энер­гии солнечной радиации (46 %) доходит до земной поверх­ности и поглощается ею. В свою очередь, поверхность суши и воды излучает длинноволновую инфракрасную (тепловую) радиацию, которая частично уходит в космос, а частично ос­тается в атмосфере, задерживаясь входящими в ее состав га­зами и нагревая приземные слои воздуха (рис. 1).

Газы, задерживающие тепловое излучение и препятствую­щие оттоку тепла в космическое пространство, называются парниковыми газами. Благодаря парниковому эффекту среднегодовая темпера­тура у поверхности Земли в последнее тысячелетие состав­ляет примерно 15 °С, без него она опустилась бы до -18 °С, и существование жизни на Земле стало бы невозможным (рис. 2).

А = 20 % — энергия, поглощенная атмо­сферой,

Б = 34 % - энергия, отраженная атмосфе­рой и поверхностью Земли,

В = 4б % — энергия, поглощенная Землей

Основной парниковый газ — водяной пар, задерживающий до 60 % теплового излучения Земли. Содержание водяного пара в атмосфере определяется планетарным круговоротом воды и (при сильных широтных и высотных ко­лебаниях) практически постоянно.

Остальные 40 % теплового излучения Зем­ли задерживают другие парниковые газы, в том числе более 20 % — углекислый газ.

Основные природные источники углеки­слого газа в атмосфере — извержения вулка­нов и естественные лесные пожары. На заре геобиохимической эволюции Земли углекис­лый газ поступал в Мировой океан через подводные вулканы, насыщал его и выделял­ся в атмосферу.

До сих пор нет точных оценок содержа­ния углекислого газа в атмосфере на ранних этапах ее развития. По результатам анализа базальтовых пород подводных хребтов в Тихом и Атлантическом океанах американский геохимик Д. Марэ сделал вывод, что содер­жание углекислого газа в атмосфере в пер­вый миллиард лет ее существования было в 1000 раз больше, чем в настоящее время, – около 39 %. Тогда температура воздуха в при­земном слое достигала почти 100 °С, а температура воды в Мировом океане приближа­лась к точке кипения (сверхпарниковый эффект).

С появлением фотосинтезирующих орга­низмов, химических процессов связывания углекислого газа стал действовать мощный механизм изъятия его из атмосферы и океа­на в осадочные породы, в связи с чем пар­никовый эффект стал постепенно умень­шаться, пока не установилось равновесие в биосфере, которое продолжалось до начала эпохи индустриализации и которому соответствует минимальное содержание углеки­слого газа в атмосфере – 0,03 %.

Таким образом, в отсутствие антропоген­ных выбросов углеродный цикл наземной и водной биоты, гидросферы, литосферы и ат­мосферы находился в равновесии. Поступле­ние углекислого газа в атмосферу за счет вул­канической деятельности оценивается в 175 млн тонн в год. Осаждение в виде карбо­натов связывает около 100 млн тонн. Велик океанический резерв углерода - он в 80 раз превышает атмосферный. В биоте углерода концентрируется втрое больше, чем в атмо­сфере, причем с увеличением содержания углекислого газа возрастает продуктивность наземной растительности.

С наступлением индустриальной эпохи началось поступление в атмосферу техноген­ного диоксида углерода за счет сжигания ископаемых видов топлива:

С + О₂ = СО₂; (сжигание угля)

С₃Н₈ + 5О₂ = ЗСО₂ + 4Н₂О; (сжигание газа)

С₂₅Н₅₂ + 38О₂ = 25СО₂ + 26Н₂О. (сжигание мазута)

Техногенные выбросы диоксида углерода в атмосферу значительно возросли во второй половине XX в. Основной причиной этого стала колоссальная зависимость миро­вой экономики от ископаемых видов топли­ва. Индустриализация, урбанизация и стре­мительные темпы роста населения планеты обусловили увеличение мирового спроса на электроэнергию, удовлетворяющегося глав­ным образом за счет сжигания горючих ис­копаемых.

В настоящее время ископаемые виды то­плива составляют примерно 90 % от всех пер­вичных энергоресурсов и обеспечивают 75 % мирового производства электрической энер­гии. По оценкам экспертов ООН, с начала XX в. увеличение выбросов диоксида углеро­да составляло от 0,5 до 5 % в год. В результа­те за последние сто лет в атмосферу поступи­ло 400 млрд тонн углекислого газа только за счет сжигания топлива. Уничтожение для этих же целей огромных лесных массивов, а так­же лесные и степные пожары, вызванные че­ловеком, дополнительно увеличивают содер­жание углекислого газа в атмосфере — как не­посредственно, так и за счет уменьшения его поглощения в процессе фотосинтеза вследст­вие уничтожения растительности. Согласно расчетам специалистов, сейчас атмосфера со­держит на 25 % больше углекислого газа, чем его было накоплено за последние 160 тыс. лет. По мнению некоторых ученых, произошло нарушение биосферного углеродного круго­ворота; поступление углекислого газа в атмо­сферу стало превышать его потребление жи­выми организмами.

В настоящее время в мире в результате сжигания топлива на тепловых электростан­циях, других промышленных предприятиях и в автомобильных двигателях в атмосферу ежегодно выбрасывается более 5 млрд тонн диоксида углерода. Еще 1-2 млрд тонн его поступает в атмосферу за счет сжигания ле­сов, главным образом тропических. Леса исчезают с поверхности планеты с катастро­фической скоростью, за два последних века их площадь сократилась вдвое. Влажные тро­пические леса начали интенсивно сгорать с середины XX в. (в среднем эти леса исчеза­ют со скоростью 1 га в минуту или 5 тыс. км² в год).

За счет сжигания топлива 25 % техноген­ных выбросов диоксида углерода в атмосфе­ру дают США и страны Евросоюза, 11% — Китай, 9 % — Россия.

К другим парниковым газам, появление которых в атмосфере в значительном коли­честве обусловлено хозяйственной деятель­ностью человека, относятся:

метан СН₄, поступающий с рисовых по­лей (около 110 млн тонн в год), в результате утечек природного газа при его добыче и по­путного газа при нефтедобыче, на угольных шахтах (до 50 млн тонн в год), а также жизнедеятельности растущего поголовья домаш­него скота; доля его влияния на усиление парникового эффекта составляет 15 %;

фторхлоруглероды (утечка хладагентов из холодильных установок и кондиционеров, пропеллентов из аэрозольных упаковок, ис­пользование пенных компонентов в строи­тельной индустрии и в средствах пожароту­шения и т. д.), доля их влияния — 12-24 %;

оксиды азота NO_X (сжигание топлива в реактивных самолетных и ракетных двигате­лях, биомассы, применение азотных удобре­ний в сельском хозяйстве), доля их влия­ния — 5-6 %;

озон О₃ (как вторичный загрязнитель, появление которого связано со значитель­ным ростом мирового автопарка), доля его влияния — до 8 %.

В последние годы отмечается постепен­ное возрастание содержания этих парнико­вых газов в атмосфере: метана — на 1 %, ок­сидов азота — на 0,3 % в год. До 90-х гг. про­исходили значительные поступления различ­ных видов фторхлоруглеродов в атмосфе­ру — до 1,4 млн тонн в год.