Оглавление

1. Диоксид углерода и парниковый эффект, изменение климата.

      Диоксид углерода (углекислый газ) - CO₂, бесцветный газ, без запаха, со слегка кисловатым вкусом, является продуктом окисления соединений, содержащих углерод (рис.1).

      Диоксид углерода играет одну из главных ролей  в живой природе, участвуя во многих процессах метаболизма живой клетки. Диоксид углерода получается в результате множества окислительных реакций у животных, и выделяется в атмосферу с дыханием. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода для растений. Однако, ошибкой будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения — только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, а без освещения они тоже его выделяют. 

Рис.1.1. Химическая формула диоксида углерода

    Обострение  глобального экологического кризиса связано с демографическим взрывом и необходимостью удовлетворения растущих материальных потребностей людей, что обусловливает расширение масштабов хозяйственной деятельности и приводит к увеличению антропогенной нагрузки на окружающую среду, как следствие обостряются проблемы глобального загрязнения окружающей среды, глобального изменения климата разрушения стратосферного озона истощаются природные ресурсы планеты, увеличивается число техногенных катастроф, возрастает вероятность потери устойчивости биосферы, хозяйственная емкость которой конечна В 1990 г. 49 лауреатов нобелевской премии признали угрозу изменения климата наиболее серьезной глобальной проблемой, связанной с выживанием современной цивилизации, межправительственная группа экспертов по изменению климата при ООН (МГЭИК), представляющая собой многотысячный форум ученых мира осуществляет систематическую оценку состояния проблемы глобального потепления и вырабатывает подходы к ее решению.

      Климатическая система Земли включает в себя атмосферу, океан, сушу и биосферу. Состояния сред, входящих в эту сложную систему, описываются такими параметрами, как температура, давление, плотность, скорость движения и т. д. "Поведение" климатической системы, которой свойственны циклические процессы, может характеризоваться более сложными комплексными параметрами: динамикой крупномасштабной циркуляции атмосферы и океана, частотой и силой экстремальных метеорологических явлений, границами среды обитания живых организмов и рядом других параметров. Климат определяется множеством состояний, проходимых климатической системой за характерный период в несколько десятилетий, и частотой их повторяемости. Изменение климата на глобальном уровне или для данной географической местности заключается в смене многолетнего режима погоды.

   Глобальные  климатические, биологические, геологические, химические процессы и природные экосистемы тесно связаны между собой: изменения в одном из процессов могут сказаться на других. Важно взаимодействие между атмосферой и океаном, который является главным источником экстремальных погодных явлений. Поскольку Мировой океан занимает большую часть планеты, то именно течения и циркуляция вод определяют климат многих густонаселенных регионов мира. Потенциально очень опасно изменение циркуляции таких мощных океанических течений, как Гольфстрим. Между 
компонентами климатической системы часто имеется обратная связь. При положительной обратной связи происходит ускоренный рост первичного возмущения. Например, сокращение снежного покрова из-за повышения температуры уменьшает альбедо - отражение солнечной радиации обратно в атмосферу - и повышает количество энергии, поглощенной Землей, а это, в свою очередь, повышает температуру и ведет к еще более активному таянию снега и льдов. В случае отрицательной обратной связи в климатической системе активизируются процессы, гасящие первичное возмущение. Например, усиление облачности, вызванное более интенсивным испарением при больших температурах, увеличивает отражательную способность планеты и уменьшает интенсивность солнечной радиации, что, в конечном счете, снижает температуру у поверхности Земли.

    Глобальное  изменение климата (потепление) связывают с аномальным усилением естественного атмосферного явления, называемого парниковым эффектом. При отсутствии этого эффекта средняя глобальная температура поверхности Земли составляла бы -18 °С. Основные компоненты воздуха - азот, кислород и инертные газы - прозрачны как для видимого солнечного света, так и для инфракрасных лучей. Однако энергия излучения Земли, соответствующая инфракрасной области спектра, эффективно поглощается другими составляющими атмосферы - парниковыми газами (ПГ), повышая температуру приземных слоев атмосферы. К основным парниковым газам относятся: водяной пар, диоксид углерода, метан, закись азота, а также ряд техногенных газов. Парниковые газы сохраняются в атмосфере довольно длительное время, период их жизни исчисляется многими десятилетиями. Суммарное содержание в атмосфере парниковых газов составляет менее 0,5%, но этого достаточно, чтобы создать естественный парниковый эффект.

    Аномальное  увеличение концентрации парниковых газов  в атмосфере, наблюдаемое в последние десятилетия, происходит за счет превышения притока над стоком этих газов и вызвано ростом антропогенных, т. е. связанных с хозяйственной деятельностью человека, выбросов ПГ. В настоящее время 
вклад диоксида углерода в усиление парникового эффекта составляет около 80 %, метана - 18-19 %, оставшиеся 1-2 % приходятся на закись азота, некоторые промышленные газы и озон. Хотя вклад водяного пара в парниковый эффект даже больше, чем вклад С0₂, однако за многолетний период не наблюдалось сколько-нибудь значительного отклонения влажности воздуха от среднего значения.

   Сжигание  угля, нефти и природного газа приводит к высвобождению с беспрецедентной скоростью заключенного в этих ископаемых видах топлива углерода Нынешний объем ежегодных антропогенных выбросов составляет более 23 млн тонн диоксида углерода или почти 1 % от общей массы диоксида углерода в атмосфере. Диоксид углерода обусловленный хозяйственной деятельностью людей, включается в естественный углеродный цикл. Дополнительное антропогенное поступление углекислого газа в атмосферу могло бы компенсироваться в результате биотической регуляции, осуществляемой экологическими системами биосферы (например, поглощаться лесами). Но вследствие нарушений структуры биоты суши и в целом глобального биохимического цикла углерода эта избыточная антропогенная часть углекислого газа в атмосфере постоянно возрастает. Даже с учетом того, что половина выбросов диоксида углерода, обусловленных антропогенной деятельностью, поглощается океанами и растительностью, атмосферные уровни продолжают расти более чем на 10 % за каждые 20 лет. За последние 150-250 лет из-за изменений в землепользовании значительно сократилось количество биомассы и почвенного углерода, а значит, и запас углерода накопленного в на земных экосистемах в целом. В результате в атмосферу поступило большое количество С0₂. Резко сократилась площадь лесов, прежде всего в тропиках. Выпас все большего количества скота в развивающихся странах, особенно в Африке, привел к деградации пастбищ. Все это не только повлияло на местный климат, но и внесло свой отрицательный вклад в глобальные процессы. По оценкам экспертов ООН, антропогенный парниковый эффект на 57 % обусловлен добычей топлива и производством энергии, на 20 % - промышленным производством, не связанным с энергетическим циклом, но потребляющим топливо, на 9 % - исчезновением лесов, на 14 % - сельским хозяйством.

   Помимо  аномального роста абсолютных значений средней глобальной температуры, весьма существенным фактом является резкое увеличение скорости ее роста. Острота проблемы изменения климата заключается не столько собственно в потеплении, сколько в разбалансировке и дестабилизации климатической системы. Мощный выброс С0₂ является своего рода химическим толчком, достаточно сильным возмущением для климатической системы. На долговременный процесс естественной эволюции глобального климата накладываются все более ощутимые изменения в климатической системе, вызванные антропогенной деятельностью.

    Последствия глобального потепления могут носить катастрофический характер. Повышение уровня Мирового океана на 0,5-1,0 м в результате интенсивного таяния полярных льдов вызовет затопление прибрежных густонаселенных районов. Ожидается увеличение числа и интенсивности экстремальных климатических явлений. Изменится режим выпадения атмосферных осадков, увеличится число аномально жарких и влажных лет, чаще и с большей интенсивностью будут возникать ураганы, бури, цунами, наводнения и засухи. Прогнозируемые скорости потепления в десятки раз превысят естественные скорости роста температуры, что не соответствует адаптационным возможностям многих видов живых организмов, и приведет к разрушению части экосистем. Вышеназванные тенденции достаточно ярко проявляют себя уже сегодня. Последние два десятилетия отличаются 16 самыми теплыми годами за период с 1866 г. (начало систематических наблюдений). Увеличивается ущерб, наносимый стихийными бедствиями и исчисляемый миллиардами долларов. Так, в 1998 г. ущерб от стихийных бедствий превысил величину аналогичного ущерба за все 1980-е годы.

    Продовольствие. Наиболее серьезные негативные последствия МГЭИК связывает с угрозой обеспечения продовольственной безопасности. Изменения климата приведут к снижению потенциальной урожайности в большинстве тропических и субтропических регионов. При увеличении средней глобальной температуры на несколько градусов, будет наблюдаться снижение урожайности в средних широтах, что не смогут компенсировать изменения в высоких широтах. В первую очередь пострадают засушливые земли. Увеличение концентрации С0₂ потенциально может быть позитивным фактором, но скорее всего будет иметь больше вторичных негативных эффектов, особенно там, где сельское хозяйство ведется экстенсивными методами.

   Недостаток  водных ресурсов. Изменения климата приводят к неблагоприятному перераспределению осадков. В северных и средних широтах с достаточно хорошим режимом выпадения осадков их количество будет возрастать. Центральные континентальные районы, вероятно, станут еще суше. Резко возрастет межгодовая изменчивость количества осадков. Следует подчеркнуть, что неблагоприятное перераспределение осадков усугубит острейшую проблему обеспечения ряда регионов пресной водой. Доклад ЮНЕП о глобальной экологической ситуации содержит прогноз о том, что к 2010 г. 60 % населения планеты будет испытывать дефицит пресной воды.

   Здоровье  населения. Непосредственное влияние теплового стресса будет ощущаться в городах, где в наихудшей ситуации окажутся наиболее уязвимые и бедные группы населения (старики, люди, страдающие кардиологическими заболеваниями). Изменение климата будет иметь и далеко идущие побочные последствия: распространение переносчиков болезней, снижение качества воды, ухудшение качества продовольствия в развивающихся странах.

   Экосистемы. Некоторые природные системы (ледники, коралловые рифы и мангровые заросли, тропические леса, полярные районы), вероятно, претерпят значительные изменения, что может вызвать в их экосистемах необратимые потери. Ожидается значительное нарушение экосистем в результате пожаров, засух, наводнений, оползней и селей, заражений паразитами, появления новых для данной местности видов. Общее воздействие на дикую природу двояко: ряд наиболее многочисленных видов начнет усиленно развиваться, а редкие и уязвимые виды будут на грани вымирания. В целом изменение климата, безусловно, ведет к потерям биоразнообразия. Для многих видов животных и растений требуемая скорость миграции будет выше их адаптационных возможностей. В результате среднее глобальное потепление на 30°С может привести к потере биоразнообразия (для млекопитающих таежных и горных экосистем потери составят от 10 до 60 % числа видов).

    Климатические изменения в Арктике. В Арктике изменения климата происходят особенно интенсивно. По сравнению с остальным миром в этом регионе темпы роста средней температуры вдвое выше. Ледяной покров тает с беспрецедентной скоростью: сейчас он уже вдвое тоньше, чем 30 лет назад. Если темпы таяния сохранятся, то в Арктике может не остаться льда уже летом 2070 г. Бес прецедентная скорость, с которой тают арктические льды, может привести к затоплению значительных территорий, исчезновению отдельных биологических видов и разрушению инфраструктуры городов. К таким выводам пришли 250 ученых из разных стран, работавших под эгидой Арктического совета

   В отличие  от нормируемых загрязняющих веществ  парниковые газы в тех концентрациях, которые наблюдаются в атмосфере и приводят к усилению парникового эффекта, не оказывают прямого вредного влияния на здоровье человека и природные системы. Поэтому традиционный нормативный метод экологического управления, основанный на нормативах качества окружающей среды и установлении предельно допустимого выброса токсичных или вредных веществ, не адекватен решаемой проблеме. В случае парниковых газов определяющим параметром является абсолютное значение выбросов в течение длительного времени, обычно за год. При этом неважно, был ли это залповый выброс или долговременная рутинная эмиссия, не имеет также значения место выброса. Именно величина эмиссии парниковых газов за характерный период времени определяет вклад источника в глобальный парниковый эффект, что обусловлено самой природой этого физического явления.

   Следует отметить, что действие отдельных  парниковых газов складывается и результирующий парниковый эффект определяется их суммарным действием с учетом индивидуальных коэффициентов глобального потепления. Поэтому данные инвентаризации выражаются в единицах С0₂-эквивалента, а 
результирующее действие всех выбрасываемых газов получается как взвешенная сумма выбросов отдельных газов с весами, отражающими их парниковый эффект. За единицу принят эффект от С0₂, а выбросы остальных газов умножаются на определенные коэффициенты глобального потепления.