Что такое парниковый эффект: понятие, механизм возникновения и перспектива для экологии

Все мы живём в тепличных условиях. С чисто физической точки зрения всё именно так и есть.

Наша планета – огромный парник, где мы растём, как овощи на грядках под солнечным светом и благодаря солнечному же теплу, а защищает нас от переохлаждения огромное «стекло» – воздушная атмосфера.

Не будь её, средняя температура на Земле была бы -18оС — днём царил бы испепеляющий зной, ночью – леденящий холод. Такие климатические условия были бы совершенно непригодны для жизни.

С другой стороны, слишком сильный парниковый эффект в последние десятилетия ведёт к глобальному потеплению, а это уже не только не полезно, но и опасно. Получается, мировая «теплица» для экосистемы – и друг, и враг одновременно?

Что вы знаете о парниковом эффекте? Какова основная теория его возникновения? Читайте статью до конца, мы постараемся кратко и понятно пояснить простыми словами, что такое парниковый эффект, кто его открыл, в чем его суть и как работает это явление в экологии. Вы также узнаете, из чего состоит наша атмосфера и прочтете несколько интересных фактов на эту тему.

Как работает глобальный «парник» и для чего он нужен?

В чем же заключается сущность того, что называется парниковым эффектом? Для начала давайте вспомним, как работает сельскохозяйственный парник. Над грядками возводится конструкция, состоящая из крепкого каркаса (пластикового, металлического или деревянного) и укрывного материала (стекла, полиэтиленовой плёнки, нетканого текстиля и т. д.).

Солнечные лучи, проходя сквозь полупрозрачное покрытие, нагревают почву и растения на ней, и когда их температура превышает температуру воздуха, они начинают испускать полученную световую энергию в виде инфракрасных волн.

Для них укрывной материал уже непрозрачен, поэтому они остаются внутри, а воздух нагревается до термодинамического равновесия. В результате в парнике постоянно поддерживается комфортная для растений температура (25 – 30°С), даже когда под открытым небом гораздо холоднее.

В масштабах экосистемы «парник» — это воздушная атмосфера, а именно содержащиеся в ней т. н. парниковые газы, получившие своё название за способность задерживать инфракрасное излучение, исходящее от наземных объектов, нагретых солнечным излучением.

Благодаря этим примесям в атмосфере на нашей планете поддерживается оптимальная для основных биологических видов температура (в среднем, +15°С), тогда как в отсутствие «парникового эффекта» поверхность Земли не нагревалась бы выше -18°С, и существование на ней жизни оказалось бы невозможным.

Однако тёплая погода – далеко не всегда благо. Для здоровья человека жара опасна уже на уровне 30°С, что не редкость в летние месяцы. Если же потепление климата продолжится, наша планета изменится до неузнаваемости. Нет, человечество не вымрет мгновенно, но и радоваться будет нечему.

По прогнозам учёных случится вот что:

1. Уже при глобальном потеплении на 1,5°С на 19% суши (на территории Южной Африки, Южной Америки, Индии, Юго-Восточной Азии, Аравийского полуострова и Австралии) наступит опасная жара – среднегодовая температура воздуха поднимется до +29°С. В результате миллионы людей будут вынуждены мигрировать в более прохладные (и более развитые) регионы, что приведёт к неизбежным социальным волнениям, обострению межкультурных и экономических проблем.
2. По мере глобального потепления линия температур будет не только подниматься, но и выравниваться, т. е. климатическая разница между полярными и экваториальными широтами уменьшится, в результате чего начнётся активное таяние ледников на высокогорьях (например, в Гималаях), в Гренландии, Арктике и Антарктиде, при этом температуры в этих регионах будут расти быстрее, чем на экваторе, в других же широтах возможны волны холода, связанные с изменением направлений ветров на полюсах (недостаточно исследованная тема).
3. Ущерб полярным экосистемам окажется наиболее заметным для всего мира. Помимо очевидного сокращения популяции полярных животных, описанные процессы приведут к подъёму уровня моря на 1-2 м, что приведёт к затоплению островных государств, прибрежных стран с низменной береговой линией — Великобритании, Германии, Нидерландов, Дании, Испании, Италии, Польши, России, Украины, побережья США и Юго-Восточной Азии. В целом под воду уйдёт 1,79 млн км² суши и около 187 млн человек лишатся своих домов, что, как и в предыдущем случае, приведёт к массовой миграции населения и связанным с ней социальным последствиям.
4. Повысится кислотность мирового океана (содержание углекислого газа возрастёт, кислорода – упадёт), что приведёт к гибели 70–90% коралловых рифов и, как следствие, сокращению популяции тысяч водных организмов (от водорослей до рыб), вплоть до полного их вымирания, и даже к появлению «мертвых зон», не поддерживающих жизнь как таковую. Перемещение ареала обитания пострадавших биологических видов на север нанесёт серьёзный ущерб не только океаническим экосистемам, но и человеческой цивилизации. Да, в краткосрочной перспективе, могут быть и положительные последствия, например, рыболовство станет доступно в высоких широтах Северного полушария, но в целом его продуктивность существенно снизится.
5. Снизится обеспеченность населения пищей и пресной водой, возрастут риски для здоровья людей и экономического роста в странах Африки, Южной Америки, Средиземноморья, Центральной Европы и т. д. Урожайность зерновых культур (риса, кукурузы, пшеницы и др.) в этих регионах упадёт, они станут менее питательными начнётся гибель пастбищных угодий. Сельское хозяйство придётся перенести в более северные широты, но там потребуется провести дорогостоящие работы по адаптации почв, а также увеличатся темпы вырубки лесов из-за необходимости освоения новых территорий под посевы.
6. Участятся стихийные бедствия (наводнения и засухи, штормы и ураганы), их разрушительные последствия станут значительнее. В группе риска окажется население развивающихся стран и коренные народы, которые кормятся сельским хозяйством и прибрежными ресурсами. Также под угрозой окажутся полярные экосистемы, засушливые регионы, малые островные государства и т. д. В целом риску бедности, связанной с изменениями климата, подвергнутся сотни миллионов человек. С другой стороны, в развитых странах, помимо миграционных проблем и жары в городах (эффект «теплового острова» — в промышленных районах температура воздуха в среднем на 10 °С выше, чем в сельскохозяйственных), могут начаться эпидемии трансмиссивных заболеваний (малярия, лихорадка денге и др.).
7. Ежегодные затраты человечества на ликвидацию перечисленных и некоторых других последствий глобального потепления составят около 27 трлн долларов США.

Что ждет Россию?

По данным Росгидромета на территории нашей страны потепление климата в среднем опережает весь остальной земной шар в 2,5 раза, чем во всём остальном мире. По объёмам выброса парниковых газов мы занимаем «почётное» четвертое место.

Если не остановимся, неизбежны следующие негативные последствия:

1. Увеличение толщины снежного покрова и влажности воздуха в Сибири и одновременно продолжительные засухи и тепловые волны в средней полосе, которые приведут к потере 10-20% водных ресурсов в регионах Черноземного центра, Южного и юго-западной части Сибирского федеральных округов Российской Федерации.
2. Сельскохозяйственный коллапс из-за роста численности вредителей, обострение ситуации с клещами, опасными для людей и домашних животных.
3. Гибель флоры и фауны из-за лесных пожаров и таяния ледников.
4. Уничтожение приморских регионов России наводнениями.

Историческая справка

Парниковый эффект был открыт в 1824 году французским физиком и математиком Жаном-Батистом Жозефом Фурье (1768 – 1830), предположившим, что «состояние поверхности, распределение воды и движение больших масс воздуха» меняется под воздействием антропогенных факторов, и результатом этих изменений становится «увеличение тепла».

В 1827 и 1838 гг. данный факт был закреплён его соотечественником, физиком Клодом Серве Матиасом Пуйе (1790 – 1868), видевшим причину потепления климата в возрастании концентраций водяного пара и углекислого газа в атмосфере.

В 1856 году существование парникового эффекта, а именно связи между СО₂ и температурой воздуха, было экспериментально подтверждено американкой Юнис Ньютон Фут (1819 – 1888), которая долгое время оставалась в тени, пока в 2011 году геолог Реймонд Соренсон не опубликовал статью, в которой назвал её исследование «пионерским».

До этого момента первопроходцем в этой области считался английский физик Джон Тиндаль (1820 – 1893), доказавшего в 1859 году способность водяного пара, метана и углекислого газа к отражению инфракрасных волн.

На основе полученных теоретических знаний и результатов экспериментов шведский физико-химик Сванте Август Аррениус (1859 – 1927) впервые предположил и выдвинул тезис, что антропогенные выбросы СО₂ способствуют повышению средней температуры на Земле.

На его взгляд, процесс потепления климата должен был растянуться на тысячелетия, но уже в 1960-х гг. советский геофизик Михаил Иванович Будыко (1920 – 2001) ограничил возможность кардинальных климатических изменений столетним периодом.

В 1988 году перед конгрессом США выступил Джеймс Хансен, профессор факультета экологии Колумбийского университета, с докладом о необходимости решительной борьбы с парниковым эффектом.

В том же году при ООН начала свою деятельность Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) для решения этой проблемы, а на Всемирной конференции по изменению атмосферы в Торонто было предложено уменьшение интенсивности антропогенного выброса парниковых газов на 20% к 2005 году.

В 1992 году вопрос политических способов противостояния глобальному потеплению был впервые поднят на саммите ООН в Рио-де-Жанейро. В том же году была подписана Рамочная конвенция ООН об изменении климата.

Прилагавшийся к ней Киотский протокол (1997) обязал развитые государства в течение 2008 — 2012 годов обеспечить снижение или хотя бы остановить повышение объёмов продуцируемых парниковых газов относительно базового 1990 года.

Тогда же были установлены квоты на разрешённый уровень загрязнения атмосферы для стран и отдельных субъектов хозяйствования и появилась легальная возможность торговли ими на т.н. «рынке зелёных финансов».

В 2015 году «принятие срочных мер по борьбе с изменением климата и его последствиями» было внесено Генеральной ассамблеей ООН в перечень из 17 целей устойчивого развития на срок до 2030 года. Тогда же было подписано Парижское соглашение, на основании которого страны договорились ограничить рост глобального потепления в рамках 1,5 °C и достичь к середине XXI века углеродной нейтральности (равновесия объёмов выбрасываемого и поглощаемого СО₂).

Чем же покрыта мировая «теплица»?

Как уже было сказано выше, в воздушной атмосфере Земли содержатся вещества, задерживающие инфракрасное излучение (тепло).

К ним относятся:

• водяной пар (36 – 72% вклада в парниковый эффект);
• углекислый газ (9 – 26%);
• метан (4 – 9%);
• тропосферный озон (3 – 7%);
• косвенные парниковые газы — фреоны (летучие органические углеводороды, содержащие хлор, фтор, бром и т. д.), диоксиды серы и азота, гексафторид серы и др.

Рассмотрим механизм действия каждого из них подробнее.

Водяной пар (H₂O) является наиболее распространённым парниковым газом природного происхождения. Интересен он тем, что с одной стороны повышение температуры атмосферы при неизменной её относительной влажности ускоряет испарение воды с поверхности мирового океана, увеличивая концентрацию в воздухе водяного пара, который поглощает инфракрасное излучение Земли и перенаправляет его обратно в земную атмосферу.

С другой же – при усилении его влажности в результате вышеописанных процессов активизируется образование облаков, отражающих прямые солнечные лучи, тем самым повышается альбедо (отражательная способность) Земли и уменьшается дневной прогрев нижних слоёв атмосферы (антипарниковый эффект).

Углекислый газ также является природным парниковым газом, но может иметь и искусственное происхождение. От других загрязнителей атмосферы он отличается химической устойчивостью — может сохраняться в воздухе тысячелетиями, оказывая долговременное воздействие на климат.

В относительно небольших количествах диоксид углерода действует аналогично водяному пару. Из 33°C, на которые повышается приповерхностная температура нашей планеты благодаря парниковому эффекту, он ответственен за +8±1°C, остальные +25±1°C обеспечивает влажность воздуха.

Рост концентрации CO₂ в воздухе приводит к увеличению его плотности за счёт относительно большой молярной массы CO2 (44,01 г/моль, что в 1,5 раза больше, чем у воздуха, молярная масса которого в среднем составляет 28,98 г/моль).

В результате растёт атмосферное давление и вместе с ним усиливается влагоёмкость воздуха при неизменной его температуре, что ведёт по описанным выше причинам к интенсификации парникового эффекта.

Этот процесс компенсируется относительно малой молярной массой водяного пара (18 г/моль) — увеличение доли воды в атмосфере для достижения одного и того же уровня относительной влажности снижает плотность воздуха.

И всё равно, по состоянию на 2021 год под воздействием парникового эффекта, вызванного только углекислым газом, каждый м² поверхности Земли за период наблюдений с 1859 года получил по 1,8 Вт дополнительной тепловой энергии.

Около 65% диоксида углерода попадает в атмосферу с продуктами горения (сжигания ископаемого топлива и биомассы, утилизации отходов, природных и техногенных пожаров и т.д.), остальные 35% имеют естественное происхождение, но не поглощаются по причине массовой вырубки лесов.

При этом 45% от общего объёма углекислого газа остаётся в атмосфере обеспечивать парниковый эффект, 30% – поглощается океаном и окисляет его, остальная часть усваивается биосферой.

Схожее действие на атмосферу оказывает и метан (CH₄). Его парниковый потенциал в 28 раз сильнее, чем у диоксида углерода, но его «период жизни» значительно короче и составляет всего 10 – 12 лет.

Естественными источниками метана является деятельность микроорганизмов на заболоченных территориях и водоёмах, ферментация пищи в желудках животных и насекомых, оттаивающие ледники, извержения вулканов и т. д.

Среди антропогенных факторов выброса метана в атмосферу лидируют:

• сельское хозяйство и разложение органических отходов;
• добыча ископаемого топлива;
• утилизация мусора и сжигание биомассы.

Опасность CH₄ заключается не только в парниковой активности как таковой, но и в разрушении озонового слоя Земли, ограждающего её от канцерогенных ультрафиолетовых солнечных лучей. Вступая в ряд химических реакций со стратосферным (природным) озоном, метан преобразует его в CO₂ и водяной пар, в результате тепла на нашей планете становится больше, а защитная оболочка атмосферы истончается.

Аналогичным образом расходуют озон также и фреоны, содержащие атомы хлора, фтора, брома и т. д. В отличие от «природного» метана, синтетический гексафторид серы (SF₆), активно используемый в электроэнергетике в качестве изоляционного газа, никак не влияет на озоновый слой, зато его парниковый эффект в 23500 раз ярче выражен, чем у углекислого газа, а «период жизни» в атмосфере насчитывает десятки тысяч лет.

Для сравнения, тепловое поглощение даже у самых опасных для окружающей среды фреонов лишь в 1300-8500 раз выше, чем у CO₂, а у оксидов азота, которые весь мир обвиняет в «пробивании» озоновых дыр, и вовсе всего в 298 раз выше.

Именно поэтому на сегодняшний день поиск экологически чистой замены гексафторида серы или хотя бы обеспечение безопасности его применения – одна из актуальнейших тем для научных исследований.

Не менее актуальны и проблемы экологизации сельского хозяйства, минимизации промышленных и транспортных выбросов для уменьшения концентрации в атмосфере оксидов азота (NO_x), угарного газа (СО), метана и фреонов, которые не только расходуют стратосферный озон, но и производят приземный (тропосферный), который далеко не так полезен.

Образуется он в результате вступления перечисленных веществ в химические реакции с водяным паром и кислородом под воздействием солнечной радиации. Приземный озон не обладает непосредственным парниковым эффектом, но снижает способность поверхности Земли поглощать CO₂, угнетая фотосинтетические процессы в листьях растений.

Компенсируется опасность О₃ непродолжительностью его пребывания в воздухе (22 дня). Удаляется озон из атмосферы благодаря разложению под воздействием солнечного ультрафиолета, связывания в почве, реакций с радикалами OH и NO₂.

Интересные факты

В отличие от других загрязнителей воздуха, диоксид серы (SO₂) – один из наиболее часто встречающихся компонентов промышленных выбросов в крупных городах развитых стран.

Он не только активно истощает стратосферный озон и входит в состав аэрозолей, удерживающих инфракрасное излучение, являясь косвенным парниковым газом, но и обладает выраженным антипарниковым эффектом – ослабляет влияние диоксида углерода и метана на потепление климата, вытесняя их из воздуха своей большой молярной массой (64,066 г/моль).

В отличие от «конкурентов», сернистый газ не повышает влагоёмкость воздуха, а его максимум в спектре поглощения ультрафиолетовых волн (190—220 нм) такой же, как и у озона. Таким образом, несмотря на все свои вредные свойства, сернистый газ оказывает существенное положительное влияние на атмосферу.

Видео по теме

Из данного видео с описанием парникового эффекта вы узнаете о его физических и химических основах:

О проявлениях парникового эффекта на планете, а именно, примеры, через какие механизмы он проявляется и какие загрязняющие вещества этому способствуют:

 

Итак, тепличные ли условия на Земле?

Ответ – более, чем да, и в то же время категорически нет. С начала промышленной революции в XIX веке концентрация парниковых газов в атмосферном воздухе увеличилась:

• CO₂ – на 47%;
• CH₄ – на 159%;
• NO_x – на 23%.

Если дать определение, парниковым эффектом называется процесс, при котором происходит повышение температуры атмосферы у поверхности Земли, наблюдается оно из-за скопления парниковых газов.

В результате среднегодовая температура на Земле уже поднялась на 1, 2°C, относительно доиндустриальной эпохи и, предположительно достигнет критической точки в 1,5°C уже к 2030-2035 году. Последствия таких «тепличных» условий не имеют ничего общего с процветанием, а значит нужно собраться и дать решительный отпор глобальном потеплению. О том, как это сделать, читайте здесь.

Из статьи вы узнали, что значит парниковый эффект, каковы его характеристики и в чем заключается его сущность, кто участвовал в создании гипотезы возникновения этого явления.