Глобальный круговорот углерода и климат

Итак, содержание углекислого газа, накопленного в результате мощной дегазации пород в атмосфере во времена архея (когда он являлся основным газом земной атмосферы, приблизительно на порядок более плотной нежели сейчас), в ходе всей последующей эволюции планеты постепенно снижалось, что уменьшало парниковый эффект, который во времена архея поднимал температуру поверхности Земли приблизительно на пару сотен градусов выше температуры лучистого равновесия для того времени. Правда, на эту долговременную, в миллиарды лет, тенденцию накладывались довольно значимые колебания - стоит вспомнить и великие оледенения начала и конца протерозоя, и теплую обстановку мезозойской эры.

Конечно, мощный парниковый эффект архейской атмосферы определялся отнюдь не одним углекислым газом, огромную роль играли и большие запасы накопленных в атмосфере паров воды. Но при этом, так как, по всей видимости, в архее условия на поверхности планеты все же позволяли существовать воде в жидком состоянии, далеко не вся выделявшаяся при дегазации недр вода оставалась в атмосфере, значительная часть ее конденсировалась и выпадала на поверхность. Концентрация водяных паров в атмосфере по мере выведения углекислого газа из нее должна была снижаться тоже - снижение содержания углекислого газа приводило к некоторому остыванию атмосферы, что в свою очередь приводило к дополнительной конденсации водяных паров в ней и к дальнейшему понижению парникового эффекта. А переход дополнительно части парообразной воды в жидкое состояние из-за понижения температуры, в свою очередь способствовал дальнейшему выведению углекислого газа из атмосферы (механизмы чего были описаны ранее).

Вообще, пожалуй стоит признать крайне важную роль углекислого газа если не в формировании абсолютной величины парникового эффекта на Земле (как мы видели в самом начале, сейчас основной вклад в парниковый эффект вносят прежде всего водяные пары), то в его изменении. Можно сказать, что фактически изменение содержания углекислого газа в атмосфере модулирует содержание другого основного парникового газа - водяного пара. Это связано с высокой чувствительностью содержания водяных паров в атмосфере к изменениям температуры окружающей среды, и переходом воды из состояния пара в жидкую и твердую фазу, с дальнейшим удалением из атмосферы в виде осадков. Углекислый же газ, с его весьма низкой точкой замерзания, при всех известных колебаниях температуры на Земле не переходил в другие фазовые состояния. К примеру, во времена великих оледенений протерозоя, когда содержание водяных паров в атмосфере было ничтожно мало, именно накопление углекислого газа в атмосфере в результате вулканической деятельности привело к разогреву поверхности и таянию мощнейшего ледяного панциря.

Не стоит, конечно, забывать и о другой обратной связи - о влиянии содержания водяных паров в атмосфере и парникового эффекта от них, на содержание в атмосфере углекислого газа. Но данное влияние проявляется только в температурных границах существования жидкой воды - речь, прежде всего, идет о свойстве растворимости углекислого газа в воде.

Однако параллельно очень медленному постепенному снижению парникового эффекта изменялся и другой фактор, определяющий термический режим поверхности планеты - постепенно росла светимость Солнца (приблизительно на 30% за период от момента образования Земли по сегодняшний день), что увеличивало приток энергии к Земле. В результате, эти процессы частично друг друга компенсировали в формировании температурного режима Земли. Если бы этого не происходило, сейчас на поверхности планеты было бы либо чрезвычайно холодно (в случае неизменности светимости Солнца при постепенном снижении содержания углекислого газа в атмосфере), либо чрезвычайно жарко (в случае неизменного содержания углекислого газа в атмосфере при постепенном росте светимости Солнца). Например, увеличение нынешней светимости Солнца на 40%, при неизменном содержании парниковых газов должно поднять температуру на поверхности до точки кипения воды и привести к испарению океанов [36].

Древняя атмосфера во льду.

Когда фирн превращается в лед, атмосферный воздух замыкается в пузырьках. Поэтому, выделяя его из керна, можно узнать о прошлом составе атмосферы, и в частности о содержании парниковых газов. Современная техника анализов позволяет извлекать изо льда и измерять с большой точностью ряд газовых примесей, прежде всего углекислый газ и метан.

Анализ кернов из глубоких скважин показал, что в максимуме валдайского оледенения концентрация СO2 была на 25 % ниже, чем в голоцене (190--200 и 260-- 280 ppm) [37]. Очевидно, первый уровень типичен для эпох оледенения, а второй -- для теплых интервалов.

По кернам со станции Восток выявлено соответствие изменений концентрации СO2 и температур, вычисленных по изотопным данным. Это первое прямое доказательство тесной связи содержания углекислого газа в атмосфере и изменений климата на протяжении всего климатического цикла. Однако спад концентрации СО2 около 110 тыс. лет назад был не таким резким, как снижение температуры. Любопытно также, что если при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО2 и температура меняются синхронно, то при обратном переходе (например, 115 и 75 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура.

Подобная корреляция изменений температуры и содержания СО2 на протяжении всего ледниково-межледникового цикла, очевидно, свидетельствует о наличии причинно-следственной связи. Однако где здесь причина, а где следствие, из этих данных не вытекает. Многие специалисты считают причиной изменение концентрации углекислого газа, но отмеченное запаздывание ее изменений как будто свидетельствует о первичности изменений температуры, за которыми следуют изменения СО2, в свою очередь усиливающие температурные колебания [37].

Такой опережающий ход температур создает проблему оценки первичной роли парниковых газов в потеплении климата.



Рис.3 Содержание парниковых газов в керне со станции Восток

Содержание другого углеродного соединения -- метана -- в древней атмосфере также тесно связано с ходом палеотемператур. Резкие изменения концентрации метана приходятся на оба ледниково-межледниковых перехода: 150--135 тыс. и 18--9 тыс. лет назад. В эти периоды она резко возрастала (от 0,35 ppm в разгар оледенения до 0,6--0,7 ppm в межледниковые оптимумы). Для валдайской ледниковой эпохи характерны четыре максимума содержания СН4 во время относительно теплых интервалов, что не так заметно в ходе изменений CO2.

А так же анализ ледяного керна позволил выявить способность климата к неожиданно резким, внезапным колебаниям. Судя по графикам, весь сдвиг на границе плейстоцена и голоцена занял лишь тысячу лет. А окончание последней холодной стадии, приуроченной к этой границе, произошло менее чем за 20 лет (метановая осцилляция).

3.3 Парниковые газы и атмосферные аэрозоли и климат

Водяные пары, углекислый газ, метан и некоторые другие, содержащиеся в атмосфере газы, поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. В результате происходит разогрев атмосферы, который называют «парниковым эффектом». Не следует думать, что это какое-то новое, не наблюдавшееся раньше явление. Он действует на Земле с тех пор, как появилась атмосфера. Без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы ниже 0°С. Но об этом ниже. Пока же поговорим еще непосредственно о парниковых газах.

Самым главным парниковым газом в земной атмосфере на сегодняшний день является водяной пар, что связано с высоким содержанием его в атмосфере и наличием у него широких и мощных полос поглощения в инфракрасной области спектра. Кроме того, у водяного пара присутствуют и полосы поглощения в ближней инфракрасной области спектра и даже в красной области видимого спектра (т.е. захватывается и крайняя часть спектра солнечного излучения), однако эти последние полосы довольно слабы. Вклад водяного пара в общий парниковый эффект составляет ныне около 20,6 °С.

Второй по вкладу в общий парниковый эффект сейчас - это углекислый газ. Его вклад составляет сейчас около 7,2 °С [25]. Однако, как раз на содержание этого газа в атмосфере человечество влияет непосредственно и очень сильно, и современное повышение температуры обусловлено, прежде всего, повышением именно его концентрации в атмосфере. За последние два с половиной столетия (т.е. с начала индустриальной эпохи) его содержание в атмосфере выросло приблизительно на 30% , причем наиболее интенсивно этот рост происходит в последние десятилетия, что вполне понятно - интенсивно растет потребление энергии человечеством, большую часть которой дает сжигание угля и углеводородов. Как и другие парниковые газы, кроме водяного пара, двуокись углерода не вымораживается при низких температурах, и продолжает оказывать влияние на парниковый эффект постоянно на больших высотах, и в высоких широтах. Особенно важно это было во времена глобальных оледенений, происходивших в истории Земли.

Еще один парниковый газ - озон, который взаимодействует как с ультрафиолетовым, так и с инфракрасным излучением. Его вклад в парниковый эффект составляет сейчас около 2,4 °С. Однако благодаря человеческой деятельности его содержание в атмосфере, в общем, понизилось за последние десятилетия (в стратосфере заметно понизилось, но в тропосфере повысилось), благодаря чему его парниковый эффект оказался ниже, чем мог бы быть, на несколько десятых долей градуса. Несмотря на весьма малое содержание озона в атмосфере, его способность поглощать инфракрасное излучение намного выше, чем у углекислого газа, что объясняет столь значимый вклад в общий парниковый эффект. Однако озон поглощает и ультрафиолетовое излучение, что снижает приток энергии от Солнца к земной поверхности, поэтому влияние озона на баланс рассматриваемых потоков энергии довольно неоднозначно.

Закись азота дает сейчас около 1,4 °С в общий парниковый эффект [25]. Ее концентрация тоже растет благодаря человеческой деятельности (за счет сжигания различных отходов прежде всего), но не столь быстро, как у углекислого газа. Как и у озона, способность поглощать инфракрасное излучение у закиси азота значительно выше, чем у углекислого газа (в 310 раз), что объясняет ее заметный вклад в парниковый эффект при значительно меньших концентрациях в атмосфере.

Однако наиболее пристальное внимание стоит обратить на метан, хотя пока еще его вклад в общий парниковый эффект составляет около 0,8 °С [25]. Его способность поглощать инфракрасное излучение больше чем у углекислого газа в 21 раз (на единицу массы). При этом его концентрация растет очень быстро - с начала индустриальной эпохи она выросла на 150% (причем в основном в последние десятилетия).

Удельное поглощение земного инфракрасного излучения очень велико и у фреонов - в 3 - 13 тыс. раз выше, чем у углекислого газа той же массы. Однако содержание фреонов в атмосфере еще очень мало для мощного парникового эффекта, и навряд ли вырастет сильно в ближайшем будущем - природных источников фреонов не существует, все производство и выделение их в атмосферу обусловлено только человеческим фактором, потребности же в них вырастут в обозримом будущем довольно незначительно. К тому же сейчас происходит замена использовавшихся типов фреонов на новые, которые обладают значительно меньшим временем жизни в атмосфере и будут довольно быстро из нее выводиться, практически не накапливаясь.

Кроме парниковых газов, на баланс потоков энергии, проходящих через атмосферу, серьезно влияют и атмосферные аэрозоли, которые, несмотря на небольшое свое содержание в атмосфере (всего около 60 млн. тонн [25]), довольно сильно влияют на ее оптические свойства. Солнечное излучение, проходя через атмосферу к поверхности, испытывает рассеяние на частицах аэрозолей и молекулах газов, что ослабляет доходящий до поверхности поток и возвращает часть его назад в космос.

Частички сажи в атмосфере тоже относят к аэрозолям. Находясь на разных высотах, они по-разному влияют на радиационный баланс поверхности Земли. Они интенсивно поглощают излучение непрерывного спектра в широкой области (и видимой, и инфракрасной), в дальнейшем переизлучая его в инфракрасной области. Находясь, в нижних слоях атмосферы и выпадая на поверхность, они способствуют их разогреву, а вот находясь в верхних слоях атмосферы, они, фактически, преграждают путь части солнечной радиации. Знаменитые расчеты «ядерной зимы» как раз и основаны на предположении, что в результате военного столкновения большие массы сажевых частиц попадут в верхние слои атмосферы.

Следует заметить, что антипарниковый эффект отнюдь не уменьшает действие парникового эффекта так сильно, как это можно было бы подумать. Парниковый эффект действует в любое время суток, а антипарниковый эффект только днем. К тому же парниковый эффект достаточно равномерно распределен по земному шару. А антипарниковый эффект от промышленных выбросов сульфатных аэрозолей привязан в основном к северному полушарию - мировая промышленность, основная часть которой сосредоточена именно в северном полушарии, выбрасывает аэрозоли в тропосферу, а время жизни их в тропосфере невелико (порядка недели, а то и меньше), и достигнуть другого полушария они часто не успевают.

3.4 Парниковый эффект и климат

Парниковым эффектом атмосферы называется разность между средней температурой поверхности планеты и ее радиационной (эффективной) температурой. Средняя температура по всей Земле в целом приблизительно равна +15°С, а ее эффективная температура-18°С, следовательно, парниковый эффект на Земле сейчас равен +33°С [33 с.6]. Вполне очевидно, что такой слабый парниковый эффект только лишь создает благоприятные условия жизни на Земле. Но повышение парникового эффекта может быть уже не столь благоприятно, и существенно отразится на человечестве уже при потеплении всего на несколько градусов. А в условиях небывало быстрого потепления, происходящего сейчас, вполне реальна ситуация, когда компенсационные механизмы, существующие в климатической системе, окажутся неспособными предотвратить дальнейшее усиление парникового эффекта. В этом случае положительные обратные связи между повышением температуры и повышением содержания парниковых газов в атмосфере могут привести к потеплению уже на десятки, и даже сотни градусов.

Суть парникового эффекта состоит в том, что безоблачная атмосфера подобно стеклу (полиэтилену) в парниках довольно слабо задерживает солнечную радиацию и в значительной степени поглощает длинноволновое (инфракрасное) излучение земной поверхности, способствуя тем самым сохранению тепла в атмосфере. Полиэтилен поглощает как длинноволновую, так и коротковолновую радиацию. В атмосфере полной аналогии этому явлению не наблюдается, тем не менее, понятие "парниковый эффект" прочно вошло в мировую литературу. Этот термин связан с геоэкологическими проблемами и, в первую очередь, с глобальными изменениями природной среды и климата.

Средняя температура у земной поверхности определяется интенсивностью солнечной радиации, приходящей на Землю. Количество солнечной радиации, отражаемой обратно в космос, зависит от облачности, состава атмосферных золей и альбедо земной поверхности, которое в свою очередь определяется растительностью, влажностью почвы, снежным покровом и количеством излучения атмосферы, поступающего к земной поверхности. Последняя величина зависит от содержания парниковых газов, которые в основном прозрачны для солнечной радиации, но поглощают тепловое излучение земной поверхности и нижних слоев атмосферы. Нагревающаяся атмосфера излучает тепло, что приводит к дополнительному нагреванию земной поверхности.

Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО₂) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяется примерно 140 млрд. т СО₂) и катализирует парниковый эффект. При этом в атмосфере остается только 35-45 % СО₂, образующегося при сжигании топлива, остальная часть углекислого газа поглощается океаном (главным образом, его холодными участками) и растительностью (с увеличением концентрации СО₂ в атмосфере активнее идет процесс фотосинтеза).

По мнению многих ученых, в XX в. содержание СО₂ в воздухе нижней части атмосферы увеличилось с 0,028 % в 1956 г. до 0,034 % в 1985 г. Предполагается, что к началу XXI столетия среднеглобальная температура приземного слоя воздуха увеличится на 1-2°С по сравнению с доиндустриальным периодом, а к 2025 г. - на 2-3 °С. Рост концентрации антропогенных парниковых газов в атмосфере и связанное с ним возможное планетарное потепление климата отмечают многие исследователи. По данным зарубежных исследователей, в конце XXI в. дополнительное накопление СО₂ в воздухе приведет к повышению планетарной температуры на 3 °С, при этом повышение температурного режима по широте (от экватора к полюсам) может составить 7-8 °С в средних широтах и 12 °С на полюсах. Это приведет к аридизации климата и расширению площадей засушливых областей.

Справедливости ради, надо отметить, что не все ученые едины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО₂ на климат Земли [32 ,с.41]. Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранее колебания температуры земной поверхности связаны с естественными природными причинами, такими, как периодическое изменение светимости Солнца, вулканические извержения, явление Эль-Ниньо, процессы в биосфере.

По данным МГЭИК повышение температуры при удвоении концентрации парниковых газов находится в пределах 1,5- 4,5°С [18].

Но, по мнению акад. Кондратьева К.Я. и его сотрудников, существует много неопределенностей, связанных с ролью парниковых газов в потеплении климата. Общие оценки выбросов углерода за счет сжигания ископаемых топлив, вырубки лесов, изменения землепользования без их количественной привязки к человеческому фактору не дают возможности адекватно моделировать круговорот антропогенных выбросов углерода [18].

Они считают, что в ХХI веке вклад антропогенного вмешательства в потепление может быть весьма скромным - не более 0,5-0,6°С.

А также нет убедительного ответа на вопрос, почему инструментальные данные не подтверждают основополагающий вывод МГЭИК о более существенном потеплении полярных регионов. Эти расхождения между реальными и модельными данными не являются малозначимыми.

Несомненно, зависимость между температурой и количеством парниковых газов существует. Но возникает вопрос: «Что первично?» Повышение температуры или же увеличение антропогенных выбросов СО2.

Возможно, на данном этапе происходит тепловое загрязнение [27]. То есть выделение большого количества тепла человеком повышает глобальную температуру атмосферы, тем самым, увеличивая концентрацию свободного углерода за счет выделения его из океана.

По мнению академика РАЕН О.Г.Сорохтина, насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температуры планеты [33].

Объясняются эти, казалось бы, парадоксальные, результаты тем, что вынос тепла из тропосферы в основном происходит благодаря конвекции, а главными факторами в этом процессе, определяющими температурный режим тропосферы, являются давление атмосферы и ее эффективная теплоемкость. Действительно, нагретые за счет поглощения инфракрасного (теплового) излучения объемы воздуха расширяются, становятся легче окружающих воздушных масс и поэтому быстро поднимаются вверх, вплоть до низов стратосферы, где они и теряют избытки своего тепла в результате радиационного излучения. Таким образом, насыщение атмосферы углекислым газом может привести только к ускорению конвективного массообмена в тропосфере, но не к изменению ее температурного режима. Из-за большей плотности углекислого газа по сравнению с земным воздухом, углекислотная атмосфера оказывается более тонкой и, подобно тонкому одеялу, хуже сохраняет тепло на поверхности планеты по сравнению с более толстым «пуховым» одеялом азотно-кислородной атмосферы, обладающим к тому же и большей теплоемкостью.

Из приведенных оценок, по мнению О.Г.Сорохтина [33], следует важный практический вывод, что даже значительные выбросы техногенного углекислого газа в земную атмосферу фактически не меняют осредненных показателей теплового режима Земли и парникового эффекта атмосферы. Если же глобальный климат Земли в настоящее время все-таки действительно испытывает заметное потепление, то, скорее всего, это окажется временным явлением, и причину ему надо искать в других процессах и явлениях. Например: в неравномерности солнечного излучения, в прецессии собственного вращения Земли, в неустойчивости океанических течений или в изменениях их циркуляции, вызванных другими причинами.

Однако даже в том случае, если воздействие выбросов углерода на климат окажется меньше, чем мы сейчас предполагаем, удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере. Изменение соотношения О₂ / СО₂ может оказать сильное влияние на биологическое равновесие в тонком биосферном слое планеты, поскольку кислород и углекислый газ являются ключевыми субстратами важнейших жизненных процессов. Опасность современной экологической ситуации таится в том, что к резкому изменению состава атмосферы быстрее всего будут адаптироваться простейшие виды организмов; отсюда высокая вероятность появления новых форм болезнетворных микроорганизмов. Этот фактор риска в полной мере может быть отнесен к последствиям сжигания ископаемого органического топлива.

Выводы по III главе

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и потепление земного климата связывают, прежде всего, с увеличением его поступления в атмосферу.

Еще одним компонентом углеродного цикла является метан. Ранее считалось, что поток метана из недр Земли невелик, и его практически не учитывали. Поток метана в атмосферу может значительно увеличиться при разрушении метангидратов, обнаруженных в последние десятилетия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана.

Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО₂) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере (в атмосферу ежегодно выделяется примерно 140 млрд. т СО₂) и катализирует парниковый эффект.

Но не все ученые едины в своих оценках влияния техногенной эмиссии СО₂ на климат Земли. Некоторые специалисты полагают, что наблюдавшиеся и ранее колебания температуры земной поверхности связаны с естественными природными причинами. По мнению академика РАЕН О.Г.Сорохтина, насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта, и средней поверхностной температуры планеты.

Прослеживая эволюцию содержания углекислого газа в геологические периоды, можно определить зависимость между содержанием СО2 и переходом от оледенения к межледниковью. В результате интенсивного извлечения углекислого газа из атмосферы происходило падение парникового эффекта и наступало мощное оледенение. Ледяной покров и низкие температуры сильно угнетали фотосинтез, приводили к отмиранию значительной части биомассы, извлечение углекислоты из атмосферы сильно замедлялось. Происходило накопление углекислого газа в атмосфере благодаря вулканической деятельности, а также возвращение его в атмосферу от окислившейся органики. В свою очередь, происходившее потепление снижало растворимость углекислого газа в воде и приводило к его переходу в атмосферу, что еще более увеличивало парниковый эффект. Итак, оледенение отступало до тех пор, пока расплодившаяся биота опять не выводила почти все запасы углекислого газа из атмосферы, и цикл начинался опять.

Любопытно также, что по данным ледниковых кернов, при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО2 и температура меняются синхронно, то при обратном переходе (например, 115 и 75 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура. Эта альтернативная точка зрения может стать научной базой для решения данной проблемы.

Глава IV. Способы понижения концентрации углекислого газа в атмосфере

4.1 Глобальное потепление климата и протокол Киото

Климат Земли становится все мягче. Границы сплошных морских льдов смещаются все дальше и дальше на север. Спутниковые фотографии со всей неопровержимостью показывают, что покров арктических льдов с 1970 по 2002 год сократился примерно на 25% [28 с.14]. Физические причины глобальных изменений климата изучаются давно. Сегодня его основной движущей силой принято считать так называемый парниковый эффект, который создают парниковые газы. Главную опасность составляет углекислый газ. По мнению ряда ученых, глобальное потепление климата связано именно с ростом объема его выбросов. Количество парниковых газов в воздухе стало заметно расти после начала промышленной революции в Европе, около 1750 года.

С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года. Его основной целью объявлено сокращение развитыми странами к 2008-2012 годам суммарных выбросов в атмосферу углекислого газа на 5,2% по сравнению с выбросами 1990 года.

На развивающиеся страны Протокол вообще не возлагает никаких обязательств, кроме пожеланий перейти по возможности на использование энергосберегающих технологий. По договоренности Протокол вступает в действие после ратификации его странами, вместе выбрасывающими в атмосферу не менее 55% углекислого газа. Его ратифицировали 120 стран (включая Европейский союз, Японию, Китай и Индию), производящих примерно 44% углекислоты. На долю России приходится 17% мировых выбросов, и поэтому для судьбы Киотского протокола ее позиция оказалась решающей. После нескольких лет колебаний Россия высказалась в пользу его ратификации. С 16 февраля 2005 года Киотский протокол вступает в действие. По Киотскому протоколу на 2008-2012 гг. России установлен допустимый уровень ежегодного выброса парниковых газов, соответствующий уровню 1990 г. (у стран ЕС в целом - 92%, у Японии - 94%). Это дает полную уверенность в том, что разрешенный уровень мы не превысим: сейчас выбросы примерно на 25% ниже.

Международная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) Рамочной конференции ООН рассмотрела в 2000 году примерно 40 основных сценариев развития цивилизации до 2100 года, главным образом с точки зрения потребления ископаемого топлива и соответствующего ему роста содержания в атмосфере СО₂ и других парниковых газов, а также прироста средней глобальной температуры и повышения уровня моря [28 с. 17]. Рассматривались сценарии как связанные с самым интенсивным использованием ископаемого топлива, так и учитывающие возможный переход на новые альтернативные (солнечная, термоядерная, ветровая и т.д.) источники энергии. Один из сценариев - «работаем как обычно» (BAU - business as usual)- сохранял основные экономические и демографические закономерности развития цивилизации неизменными. Удивительно, но, согласно сценарию BAU, прогнозируемые изменения к 2100 году оказались не такими значительными: рост среднегодовой температуры от 2 до 4,5°С; подъем уровня моря от 0,3 до 0,5 м. Однако и эти, на первый взгляд не столь радикальные, перемены ведут к неисчислимым экологическим, экономическим, социальным и политическим последствиям.

Попытаемся взглянуть на ожидаемые последствия потепления климата для нашей страны. На первое место, пожалуй, выйдут последствия, связанные с отступлением вечной мерзлоты. Вечная мерзлота в высоких широтах - своего рода строительный материал, на котором воздвигнуты несущие части домов и сооружений. Из нее фактически «сложены» стенки подземных хранилищ, в которых покоятся отходы промышленной деятельности. Зона многолетней мерзлоты охватывает огромную часть территории России. Отступление мерзлоты будет сопровождаться разрушением домов и промышленных сооружений. Значительные изменения прочности зданий уже произошли в Якутске, а к 2030 году масштабы разрушений могут стать катастрофическими, если не принять срочных защитных мер. Поэтому специалистам необходимо оценить сроки и масштабы ожидаемых изменений для всех городов и поселков в зоне вечной мерзлоты и немедленно приступить к необходимым работам. В опасности окажутся и многие технические сооружения: нефтяные вышки, тысячекилометровые нефте- и газопроводы. Новые же крупномасштабные сооружения, например нефтепровод к мурманским морским терминалам, уже придется проектировать с учетом условий меняющейся климатической ситуации.

Не меньшими, а возможно и более значительными, неприятностями грозит разрушение стенок подземных хранилищ. Десятки лет на северных территориях шла добыча полезных ископаемых - нефти, газа, металлов. Огромные количества сырой нефти «потерялись» при авариях и протечках на нефтепроводах, но не распределились в почве, а остались в земле, скованные вечной мерзлотой. При таянии мерзлоты новые биоценозы могут быть отравлены нефтью. Образно такие ситуации принято называть «химическими временными бомбами», имея в виду отсроченный характер вредного воздействия. Временные бомбы могут иметь и «металлическую» природу: в отходах и отвалах горнодобывающих производств на многолетней мерзлоте содержатся огромные количества вредных для всего живого тяжелых металлов. На Севере уже пришлось столкнуться с проблемой, когда в поверхностные воды стали попадать размытые в оттепель сельскохозяйственные удобрения и ядохимикаты [28 с.19].

Очевидно, что проблема воздействия выбросов парниковых газов на состояние окружающей среды требует активного поиска возможных путей ее решения. И единственный механизм борьбы с глобальным потеплением, предложенный к настоящему времени, - это Киотский протокол. Приведет ли выполнение его положений к исчезновению или хотя бы к отсрочке угрозы? Предположим, что снижение выбросов СО₂ пойдет в полном соответствии с протокольным графиком. В 2005-2010 годах мировая экономика будет продолжать развиваться и требовать новых затрат энергии, в том числе и в виде ископаемого топлива. Рост энергозатрат, скорее всего, будет отставать от роста экономики в целом, в связи с уменьшением энергоемкости производств. Выброс СО₂ на единицу произведенной энергии также будет снижаться. Тем не менее оценки показывают, что страны Западной Европы для выполнения Киотского протокола к 2010 году должны уменьшить выбросы СО₂ по сравнению с ожидаемыми на 28%. Поэтому развитым странам придется вкладывать все больше и больше средств, чтобы сохранить неизменным уровень промышленных выбросов. Экономисты подсчитали, что необходимые затраты на осуществление мероприятий по Киотскому протоколу в 2010 году будут варьировать от 100 до 400 миллиардов долларов, в зависимости от сценария.

В том же положении окажется и весь остальной мир. Сохранение уровня выбросов СО₂ на 5,2% ниже уровня 1990 года потребует к 2050 году снижения выбросов по сравнению с ожидаемыми на 50%, что обойдется экономике примерно в триллион долларов в год и составит примерно 2% ВВП, а к 2100 году- 4% ВВП ежегодно.

Какую отсрочку по сравнению со сценарием «работаем как обычно» мы получим после выполнения Киотского протокола? Ответ парадоксальный: рост температуры по сравнению с ожидаемым повышением на 2-5єС в мировом масштабе к 2100 году снизится на 0,15єС, то есть потепление будет отсрочено лишь на шесть лет. Кроме того, к расходам на выполнение Киотского протокола добавятся еще и затраты на те самые последствия потепления, которые все равно наступят, пусть и на шесть лет позже. Тогда для чего нужен и нужен ли вообще Киотский протокол?

Киотский протокол необходим, как первое совместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды. Киотский протокол обязывает переходить на энергосберегающие технологии и требует от развитых стран передачи этих технологий развивающимся странам. Но совершенно очевидно, что в будущем потребуется регулярный пересмотр Протокола.

Таким образом, за сроки, соизмеримые с продолжительностью человеческой жизни, глобальное потепление вряд ли удастся предотвратить, если только не появятся новые кардинальные подходы.

4.2 Способы сокращения парниковых газов в атмосфере

Из вышесказанного становится ясно, что понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей, решение которой необходимо для устойчивого развития человеческой цивилизации. Поэтому уже сейчас возникает необходимость разработки теоретических подходов и экологических программ, обеспечивающих снижение выбросов парниковых газов в атмосферу.

Мировая практика наработала возможные пути решения этой проблемы.

1. Традиционные направления:

· развитие технологий, обеспечивающих снижение удельного расхода первичных энергоносителей на единицу производимой чистой энергии;

· развитие энергосберегающих технологий при передаче энергии и использовании энергетических агрегатов.

2. Нетрадиционные направления:

· развитие технологий утилизации диоксида углерода путем химических преобразований для получения продуктов органической химии;

· развитие технологий поглощения («связывания») СО₂ с использованием различного вида адсорбентов.

3. Альтернативные направления:

· диверсификация топливно-энергетического баланса заинтересованных стран;

· увеличение доли гидроэнергии, энергии ветра, биомасс и других нетрадиционных источников.

Однако помимо перечисленных технических, технологических и организационных мероприятий по сокращению поступления парниковых газов в атмосферу, существуют и принципиально новые подходы.

1. Идея консервации вырабатываемых парниковых газов в подземных хранилищах.

Суть идеи состоит в том, что по мере исчерпания запасов минерального сырья мы сможем эффективно использовать подземное пространство для решения экологических задач.

В результате проведенных исследовательских работ был сделан вывод о возможности использования в качестве хранилищ диоксида углерода следующие основные типы подземных объектов:

ь отработанные нефтяные и газовые месторождения;

ь природные ловушки, обладающие необходимыми коллекторными и экранирующими свойствами;

ь подземные выработки ряда отработанных месторождений полезных ископаемых;

ь выявленные, но не использованные резервные хранилища природного газа.

Рассматриваемая идея консервации углекислого газа в подземном пространстве обладает определенным количеством важных экологических, технологических и экономических преимуществ.

Наиболее значимые из них следующие.

Во-первых, появляется возможность сократить поступление диоксида углерода в атмосферу, независимо от изменения объемов его выработки, что особенно ценно в условиях роста промышленного производства и потребления энергии.

Во-вторых, снижается риск неблагоприятных экологических последствий производства диоксида углерода, так как его консервация в подземных резервуарах не сопряжена с какими бы то ни было отрицательными последствиями для окружающей среды, в частности - для подземных вод.

В-третьих, это вторичное использование инженерных и горно-технических сооружений, практически не требующее привлечения дополнительных инвестиций.

На сегодняшний день Российская Федерация располагает большим количеством подземных объектов, которые могут быть использованы в качестве резервуаров для хранения углекислого газа. Этот потенциал открывает широкие возможности для поиска и реализации наиболее эффективных решений.

Самый большой экономический эффект может быть получен при использовании в качестве указанных резервуаров отработанных месторождений природного газа, а также выявленных в процессе нефтегазоразведочных работ непродуктивных геологических объектов, обладающих необходимыми экранирующими свойствами.

Таким образом, по мере истощения минерально-сырьевой базы страны программа консервации диоксида углерода может стать альтернативным направлением комплексного использования недр и поддержать в стратегической готовности устойчивое развитие горной промышленности России.

2. Углерод, изъятый из атмосферы, можно хранить в почве.

Для того чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере, ученые предлагают растительные остатки, образующиеся как отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, не сжигать, а превращать в древесный уголь, который затем можно вносить в почву. Будучи весьма устойчивым, он будет сохраняться там столетиями. Смысл этой операции в том, чтобы углерод, изъятый из атмосферы в ходе фотосинтеза, надолго вывести из обычного круговорота.

Сжигание ископаемого топлива неизбежно ведет к увеличению содержания в атмосфере углекислого газа (CO₂), а это в свою очередь чревато дальнейшим развитием глобального потепления и подъемом уровня Мирового океана.

Всё чаще появляются работы, в которых говорится о необходимости крупномасштабного связывания углерода атмосферы (CO₂) и о выводе его из глобального круговорота на время, измеряемое, по крайней мере, столетиями и тысячелетиями [35].

Экологи ищут простые способы связывания углерода атмосферы и по возможности долгого удержания его в форме, которая бы за счет природных процессов не превращалась снова в CO₂. Выращивание лесов и вообще восстановление естественного растительного покрова, безусловно, способствует изъятию углекислого газа из атмосферы и накоплению углерода в тканях растений и в органическом веществе почвы. Однако как только леса и другие растительные сообщества достигают своей зрелости, поглощение CO₂ в ходе фотосинтеза уравновешивается выделением этого газа в результате дыхания -- как самих растений, так и, главное, организмов-редуцентов (грибов и бактерий), осуществляющих разложение отмерших растительных остатков. Соответственно, чтобы препятствовать возврату CO₂ в атмосферу, необходимо сделать углерод органического вещества недоступным для редуцентов. Образовавшееся органическое вещество растений подвергают нагреванию в условиях дефицита кислорода (процессу пиролиза) и получают древесный уголь. Содержание углерода в древесном угле примерно в два раза выше, чем непосредственно в массе растительных остатков, но бактерии и грибы не могут использовать его для своих нужд. Поэтому, будучи внесенным в почву, древесный уголь может там сохраняться довольно долго -- столетия, а возможно, и тысячелетия (по крайней мере, такого возраста естественно образовавшийся древесный уголь известен).

Возможностям подобной формы захоронения углерода посвящена недавно появившаяся в журнале Science статья Йоханнеса Лемана (Johannes Lehmann) с Факультета зернового хозяйства и земледелия Корнельского университета (Итака, США). Схема предлагаемой технологии показана на рис. 3.

Рис.3. Схема обычного круговорота углерода в природной экосистеме (слева) и включающая переработку растительных остатков в ходе пиролиза (справа)

В ходе обычного круговорота веществ в природных экосистемах углерод CO₂ связывается в процессе фотосинтеза, после чего примерно половина его расходуется на дыхание самих растений, а половина в виде органического вещества растительных остатков попадает на поверхность почвы, где разлагается грибами и бактериями до простых компонентов. Весь CO₂, выделившийся при дыхании как растений, так и редуцентов, возвращается в атмосферу. Можно, конечно, растительные остатки собрать и пустить на переработку, получив из него «биотопливо». Это, в общем, неплохо, так как экономится ископаемое топливо, но по отношению к углероду, находящемуся в атмосфере в виде СО₂, данная технология нейтральна: при сжигании биотоплива весь CO₂, когда-то связанный в ходе фотосинтеза, снова возвращается в атмосферу.

Гораздо лучше, по мнению автора статьи, технология превращения растительных остатков в древесный уголь (что также показано на схеме), особенно если газы, выделяющиеся в процессе пиролиза, уловлены и использованы как биотопливо [35]. Образовавшийся древесный уголь вносится в почву, например, в смеси с навозом или минеральными удобрениями.

На основе проведенных расчетов Леман полагает, что технология связывания атмосферного углерода в древесном угле может быть широко использована в трех случаях. Во-первых, это пиролиз остатков деревьев при промышленной заготовке леса. Во-вторых, пиролиз быстро растущей растительности на заброшенных сельскохозяйственных угодьях. В-третьих, пиролиз остатков сельскохозяйственных культур.

Во всех случаях подразумевается, что древесный уголь вносится в почву, а не сжигается. Очевидно, что стратегия связывания углерода в древесном угле оправдана только там, где есть в большом количестве запасы дешевой биомассы. Внедрение данного метода в практику определяется тем, насколько выгоднее будет сохранять древесный уголь в почве по сравнению с его сжиганием.

Выводы по IV главе

С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года. Его целью является сокращение развитыми странами к 2008-2012 годам суммарных выбросов в атмосферу углекислого газа на 5,2% по сравнению с выбросами 1990 года.

Киотский протокол - первое совместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды. Киотский протокол обязывает переходить на энергосберегающие технологии и требует от развитых стран передачи этих технологий развивающимся странам.

Понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей. Поэтому возникает необходимость разработки теоретических подходов и экологических программ, обеспечивающих снижение выбросов парниковых газов в атмосферу, которые включают традиционные, нетрадиционные и альтернативные направления.

Конечно, не менее важно применение принципиально новых подходов к уменьшению концентрации углекислого газа в атмосфере. Например, идея консервации вырабатываемых парниковых газов в подземных хранилищах. Суть которой состоит в том, что по мере исчерпания запасов минерального сырья мы сможем эффективно использовать подземное пространство для решения экологических задач. Или, чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере, ученые предлагают растительные остатки, образующиеся как отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, не сжигать, а превращать в древесный уголь, который затем можно вносить в почву.

Заключение

В процессе выполнения данной работы мы проработали 35 научных источников.

Мы определили, что биогеохимическая машина Земли представлена циклами элементов, связанных между собой. Это углерод, кислород, азот, кальций, магний, фосфор, сера, кремний, железо. И главенствующим является цикл органического углерода. В истории Земли основным источником СО₂ является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. В ходе жизнедеятельности организмов (в процессе дыхания) и при вулканических извержениях углерод возвращается в атмосферу и гидросферу. Определенное количество его отлагается в литосфере и педосфере и расходуется на углекислотное выветривание алюмосиликатов и образование различных углеродистых соединений. Извлеченный из атмосферы углерод, и захороненный даже в виде карбонатов, не говоря уже о захороненной органике, извлекается из нее все же не навсегда. По прошествии некоторого, часто очень значительного времени (до сотен миллионов лет и более), он возвращается обратно в атмосферу и участвует в дальнейшем круговороте.

Нами рассмотрены биогеохимические круговороты углерода, которые протекают в пространстве и времени.

По длительности (периодичности) и пространственному развитию можно выделить относительно короткие (часы - тысячи лет) биогеохимические круговороты (малый и ландшафтный биогеохимические циклы углерода) и биогеохимический цикл, соизмеримый с геологической историей (большой биогеохимический цикл углерода).

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера. Основное связующее звено в круговороте этого элемента - атмосфера, поскольку углерод в ней содержится в наиболее подвижной форме - в виде оксида углерода (IV).

Мы определили, что в атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х10² Гт углерода. Но небольшим содержание СО₂ в атмосфере было далеко не всегда - так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа.

В работе описаны содержащиеся в атмосфере газы (водяные пары, углекислый газ, метан и некоторые другие), которые поглощают инфракрасное тепловое излучение с поверхности Земли, нагреваемой солнечным светом. В результате происходит разогрев атмосферы, который называют «парниковым эффектом». Дополнительное поступление парниковых газов (особенно СО₂) от антропогенных источников нарушает природный углеродный баланс в атмосфере и катализирует парниковый эффект.

Но существует мнение, что насыщение атмосферы углекислым газом, несмотря на поглощение им теплового излучения, всегда приводит не к повышению, как это принято думать, а только к понижению и парникового эффекта. Однако удвоение его концентрации должно вызвать существенные изменения в биосфере.

Также прослежена эволюция содержания углекислого газа в геологические эпохи: накопление СО2 в межледниковые периоды, интенсивное извлечение из атмосферы, минимальное содержание и наступление оледенений, замедление захоронения СО 2 и снова накопление. Интересно, что по данным ледниковых кернов, при переходе от ледниковой эпохи к межледниковью содержание СО2 и температура меняются синхронно, то при обратном переходе концентрация углекислого газа уменьшается позднее, чем снижается температура. Эта альтернативная точка зрения может стать научной базой для решения данной проблемы.

Возможно, на данном этапе происходит тепловое загрязнение. То есть выделение большого количества тепла человеком повышает глобальную температуру атмосферы, тем самым, увеличивая концентрацию свободного углерода за счет выделения его из океана.

Нами выявлено, что количество парниковых газов в воздухе стало заметно расти после начала промышленной революции в Европе, около 1750 года. С начала 1990-х годов решение проблемы снижения выбросов парниковых газов стало одной из приоритетных задач мирового сообщества. Первым практическим шагом к ее решению считается Киотский протокол, подписанный в декабре 1997 года.

Проанализировав аспекты Киотского протокола, мы пришли к выводу, что он необходим, как первое совместное усилие государств Земли по регулированию климата. Обязывающий характер Протокола заставляет со всей серьезностью отнестись к развитию альтернативных источников энергии, таких, как солнечная, термоядерная и прочие ее виды.

Мы считаем, что понижение концентрации диоксида углерода в атмосфере является актуальной задачей, решение которой необходимо для устойчивого развития человеческой цивилизации. Нами рассмотрены возможные пути решения этой проблемы (традиционные, нетрадиционные и альтернативные направления и принципиально новые подходы), наработанные мировой практикой.

Литература

1. Антонов Б.И., Пронин И.С., Пронин С.И. О Киотском протоколе и не только о нем Приложение к журн. "Безопасность жизнедеятельности". - 2005. - N 2. - С.12-24.

2. Арефьев В.Н., Каменоградский Н.Е., Кашин Ф.В. Углекислый газ в континентальной атмосфере // Метеорол. и гидрол. - 1995. - N 4. - С.87-96.

3. Богданкевич О.В. Лекции по экологии. - М.2002.

4. Борисенков Е.П. Климат и его изменения. - М.: Знание.- 1976.-64с.

5. Борисенков Е.П., Кондратьев К.Я. Круговорот углерода и климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988

6. Будыко М.И. Глобальная экология. - М.: Мысль, 1977.

7. Будыко М.И., Ефимова Н.А., Лугина К.М. Современное потепление // Метеорол. и гидрол. - 1993. - N 7. - С.29-34. - Библиогр.: 14 назв.

8. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем.- Л.: Гидрометеоиздат, 1980

9. Будыко М.И. Проблема углекислого газа. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1997.-60с.

10. Валяев Б.М., "Углеводородная дегазация Земли и генезис нефтегазовых месторождений" // "Геология нефти и газа", № 9, 1997 г.

11. Величко А.А. Потепление климата - взгляд в будущее // Наука в России. 2002. - N 3. - С.43-52.

12. Вернадский В.И. Биосфера.- М.: Мысль, 1967.

13. Виноградова М.Г. Космические истоки абиогенного углерода и его производных // Известия РГО.2006.-Т.138, вып.4. -С.30-36.

14. Воробьев В.Н., Саруханян Э.И., Смирнов Н.П. "Глобальное потепление" миф или реальность? // Проблемы теоретической и прикладной экологии: Сб. науч. тр. - СПб.: РГГМУ, 2005. - С.10-26. - Библиогр.: 31 назв.

15. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Потепление неотвратимо? // Земля и Вселенная. - 2003. - N 3. - С.21-30.

16. Гурни Кевин. Глобальное потепление и парниковый эффект // Энергетика и безопасность. - 1998. - N 5. - С.3-4, 10-12. - Библиогр.: 7 назв.

17. Демирчян К.К., Демирчян К.С., Кондратьев К.Я. Темп роста концентрации СО₂ и уточнение его прогнозных оценок // Изв. АН. Энергетика. - 2001. - N 1. - С.3-25. - Библиогр.: 19 назв.

18. Демирчян К.С.,Кондратьев К.Я. Глобальный круговорот углерода и климат // Известия РГО.2004.-Т.136, вып.1.- С.16-24.

19. Дядин Ю.А., Гущин А.Л., "Газовые гидраты" // СОЖ, №3, 1998 г.

20. Ершов Ю.И. Органическое вещество биосферы и почвы. - Новосибирск: Наука, 2004. - 104 с.

21. Ильинский А.А. Экономические и экологические аспекты реализации Киотского договора // ЭКО.- 2005.-№1.- С.39-45.

22. Кислов А.В. Перспективы изменения климата в ближайшем будущем / Кислов, Баженов // География в школе. - 2005.-№5.-С.4-9.

23. Кондратьев К.Я. Глобальный климат.- СПб.: Наука, 1992.

24. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И. Парниковый эффект атмосферы и климат. Итоги науки и техники // Метеорология и климатология.- Т.12.- М.: ВНИТИ, 1984.