Причины возникновения парникового эффекта: основные факторы развития, источники

Производственная деятельность человека сопряжена с расходованием различных природных ресурсов.

Это изменяет их состояние, снижает качество и порождает экологические проблемы, связанные с условиями существования атмосферы.

На состояние экологической ситуации и нашего атмосферного слоя влияют различные вещества, которые попадают в воздух в результате работы различных производств.

Согласно научным данным, промышленные предприятия нашей планеты каждый год выбрасывают в атмосферу:

• диоксида углерода (газа углекислого) — 20 млрд тонн;
• пыли — 250 млн тонн;
• диоксида серы, золы и оксида углерода — по 200 млн тонн;
• оксидов азота — 50 млн тонн;
• фреонов — 1 млн тонн;
• свинца — 0.4 млн тонн.

К одной из глобальных экологических проблем относится парниковый эффект, который вызван высоким содержанием (избытком) в атмосфере углекислого газа и связан с повышением его концентрации из года в год. Масштаб проблемы, схема возникновения парникового эффекта представлена вашему вниманию в этой статье.

Ученые прогнозируют достижение опасного порога (0.045%) содержания этого газа в атмосфере к 2030 или к 2050 гг., что, соответственно, вызовет парниковый эффект в 2050 или в 2090 году.

Под парниковым эффектом, который также называют тепличным или оранжерейным, подразумевается возможное повышение температуры в нижних слоях атмосферы Земли по сравнению с температурой теплового излучения нашей планеты в космосе.

Парниковый эффект является причиной повышения температуры воздуха на планете. Как образуется парниковый эффект, каковы физические и химические основы этого явления, что способствует его развитию и усилению — эти и другие вопросы рассмотрим в данной статье.

Основные причины

Одной из причин возникновения проблемы парникового эффекта на Земле называют скапливающиеся в атмосфере такие факторы, как парниковые газы, превышение концентрации которых способно изменить тепловой баланс нашей планеты.

Различают следующие источники формирования парниковых газов:

1. Техногенные, считающиеся основным фактором, из-за которых создается парниковый эффект (различные промышленные отрасли, в которых используются технологические процессы, связанные со сжиганием углеводородного топлива, выхлопы автомобильного транспорта, процессы на нефтяных залежах).
2. Природные источники (извержения вулканов, масштабные лесные пожары, парообразования Мирового океана).

Также существует научно доказанная связь между озоновым слоем Земли и парниковым эффектом. Вследствие уменьшения озонового слоя повышается температура на земной поверхности, что приводит к усилению испарения влаги.

Главные причины появления и развития парникового эффекта подразделяют на природные и антропогенные.

Естественные (природные)

Природный парниковый эффект определяется наличием в атмосфере малых количеств водяного пара, углекислого газа, метана и закиси азота.

Роль этих газов:

• пропускание к поверхности Земли солнечной радиации;
• поглощение источаемого нашей планетой инфракрасного излучения.

В результате накопления этих веществ происходит нагревание земной поверхности до средних значений приземной температуры, которая при отсутствии возникновения природного парникового эффекта была бы ниже на 33°С и составляла бы -18°С.

К природным причинам развития парникового эффекта в условиях современности относят деятельность биосферы и естественные ежегодные выбросы вулканов, которые составляют порядка 0.15-0.26 млрд тонн углекислого газа.

Из водно-болотных угодий в атмосферу попадает порядка 40% метана. Источниками природной закиси азота считаются испарения деревьев и выделяющиеся почвенные газы от разложения листвы.

В соответствии с данными Бюллетеня Всемирной организации по парниковым газам, усредненную повышенную годовую концентрацию углекислого газа в атмосфере (400 частей на миллион) впервые зафиксировали в 2015 году по причине мощного природного явления Эль-Ниньо (температурные колебания поверхностного слоя воды в Тихом океане).

В результате Эль-Ниньо в тропических регионах развились засухи, снизилась способность лесов, растительности и океанов поглощать диоксид углерода, что привело к возрастанию доли СО₂, выбрасываемой в атмосферу.

Антропогенные

К этой категории относятся факторы, вызывающие нагревание нашей планеты посредством повышения концентраций парниковых газов вследствие деятельности человека, которая способствует поступлению в атмосферу парниковых газов.

К основным парниковым газам с возрастающими концентрациями относятся:

• углекислый газ и метан;
• закись азота и озон;
• фреоны.

В результате техногенной деятельности человека, в атмосфере Земли происходит значительный рост концентрации СО₂, с выбросами и наличием которого связано образование парникового эффекта.

Основные причины — сжигание носителей энергии:

• продуктов нефти;
• торфа;
• угля;
• газа;
• дров, сопровождающееся потреблением кислорода и выделением углекислого газа.

В соответствии с научными данными, следствием такой деятельности за прошедшие 150 лет явилось увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере почти в 2 раза.

Наибольшая доля антропогенного поступления углекислого газа в атмосферу приходится на предприятия металлургии и энергетики, а также транспорт, работающий на основе двигателей внутреннего сгорания.

Так, за 7 часов полета воздушному лайнеру потребуется на сжигание топлива порядка 35 тонн кислорода, а его двигатели за этот период выбросят в атмосферу 48 тонн углекислого газа.

К усилению парникового эффекта приводят:

• выбросы промышленных производств и угольных электростанций;
• добыча полезных ископаемых;
• лесные пожары и вырубка лесов;
• выхлопы автомобилей.

К антропогенным причинам развития парникового эффекта также относят:

• использование удобрений и агрохимии, выделяющих испарения азота;
• рост населения, что повышает спрос на жилье, продукты питания, одежду, а значит рост промышленного производства;
• мусорные полигоны с разложением и горением отходов.

Доказана взаимосвязь парникового эффекта с истощением озонового слоя. Повышение поверхностной температуры на нашей планете вследствие уменьшения озоновой прослойки способствует усиленному испарению влаги. А увеличенная концентрация водяных паров в атмосфере — основополагающая причина развития парникового эффекта.

Факторы развития

Парниковый эффект представляет собой физико-химический процесс нарушений теплового баланса Земли, сопровождающийся повышением температуры. То есть в развитии парникового эффекта принимают участие как физические, так и химические факторы.

Физические

Первая версия о разогреве атмосферы нашей планеты парниковыми газами была предположена ученым из Швеции С. Аррениусом в конце 19 века и существует до настоящего времени. Исследователь установил, что ничтожно малое количество диоксида углерода (0.3%) поддерживает температуру атмосферы на 5-6° выше, чем без его отсутствия.

Парниковый эффект вокруг Земли зависит от состояния атмосферы, которая неоднородна и преимущественно содержит водяной пар и углекислый газ. Эти газы, поглощая инфракрасные лучи, выполняют функцию наподобие стекла в теплице (внутри парника температура всегда выше, чем снаружи).

Причина этого физического явления заключается в излучении Солнцем видимого света — электромагнитного спектра, к которому чувствительны глаза. В соответствии с законами физики, от любого тела с температурой выше абсолютного нуля, исходит электромагнитное излучение.

Максимальное солнечное излучение с температурой поверхности 6000° расположено в видимой спектральной зоне с длиной волны порядка 0.5 микрона.

В этой зоне атмосфера в большинстве прозрачна для видимого электромагнитного спектра, поэтому солнечное излучение без препятствий проникает к земной поверхности и, поглощаясь, нагревает ее. Таким же свойством обладает стекло парника, что способствует проникновению солнечных лучей внутрь теплицы и поглощению их энергии растениями.

Земля, в свою очередь, отдает свою энергию, при этом средняя температура ее поверхности равна +15°, что указывает на смещение максимума излучения нашей планеты в инфракрасную область с длиной волны порядка 15 микрон и сильное поглощение атмосферой земного излучения.

Так как объекты со средней температурой у земной поверхности +15° излучают инфракрасную энергию, растения в парнике также испускают инфракрасное излучение, которое не может легко пройти сквозь стекло. По этой причине происходит повышение температуры внутри теплицы.

По аналогии с парником, земная атмосфера как бы выполняет функцию стекла в теплице, являясь не столь прозрачной для инфракрасных лучей, как для солнечного излучения.

Для поддержания теплового равновесия на Земле, планета должна уравновешивать количество получаемой и отдаваемой энергии, тот есть количество энергии, полученной от Солнца, должно равняться количеству энергии, отданной земной поверхностью в атмосферу. Выполнение этого условия не всегда возможно.

Пары воды, диоксид углерода, метан, закись азота, озон, фреоны, обладающие свойствами парниковых газов, пропускают к поверхности Земли больше солнечной энергии, чем отдают тепловой энергии нашей планеты в космическое пространство.

Этот факт приводит к повышению средней температуры воздуха. Резкое возрастание техногенных выбросов парниковых газов нарушает тепловой баланс атмосферы.

Молекулы парниковых веществ, присутствующих в атмосфере, поглощают инфракрасные лучи. Излучаемые земной поверхностью инфракрасные фотоны не всегда отправляются в космос, поглощаясь в атмосфере молекулами парниковых газов.

При вторичном излучении поглощаемой энергии этими молекулами, ее лучи могут направляться либо в сторону космоса, либо в обратном направлении, к поверхности Земли, такое явление считается эффектом укрывания земной поверхности одеялом.

Парниковые газы не могут прервать внешнюю утечку тепла, но длительный период сохраняют тепло около поверхности Земли.

Если бы парниковый эффект отсутствовал, средняя температура на поверхности нашей планеты была бы на 33 градуса ниже существующей. Основная функция парникового эффекта — способность поверхности нашей планеты отражать лучи Солнца, а атмосферного экрана Земли — пропускать солнечное излучение в прямом и обратном направлении.

Механические

Общий механизм образования парникового эффекта обусловлен поглощением большей части инфракрасного излучения нашей планеты атмосферными парниковыми газами, которые, нагреваясь, испускают излучение во всех направлениях, что способствует возвращению части полученного тепла назад.

В итоге земная поверхность дополнительно получает тепловую энергию, то есть, происходит увеличение температуры или парниковый эффект. При определении величины парникового эффекта учитываются многие факторы влияния.

Из общей картины распределения потоков энергии видно, что из пришедшей из атмосферы 100% солнечной радиации 69% поглощается:

• 46% — земной поверхностью;
• 19% — парами воды, пылью, ОЗ;
• 4% — облаками,

а 31% солнечной энергии возвращается в космос:

• 17% отражается облаками;
• 8% рассеивается воздухом;
• 6% отражается поверхностью Земли.

После поглощения 46% солнечной энергии происходит нагревание земной поверхности, что приводит к направленному вверх потоку инфракрасного излучения (115 единиц длинноволновой радиации).

Из 115 единиц длинноволнового потока инфракрасного излучения, направленного вверх от земной поверхности, 106 единиц в атмосфере поглощается парами воды, облаками и другими парниковыми газами, излучаемыми в космос 69-и единиц длинноволновой радиации.

При этом назад возвращается 100 единиц энергии — количество, которое приходит от Солнца на верхнюю границу атмосферы.

Исходя из этого, становится понятным, что радиационный баланс в системе Земля-космос обеспечивают:

• 31% коротковолнового излучения;
• 69% длинноволнового излучения.

Эта ситуация применима для содержания в атмосфере следующих парниковых газов:

• водяных паров;
• углекислого газа;
• метана;
• закиси азота;
• озона и хлорфторуглеродов,

с учетом среднеглобальной облачности.

Если содержание парниковых газов или облачности изменяется, нарушится радиационный баланс, что изменит температуру земной поверхности.

Химические

Среди факторов, управляющих климатом, большое значение имеют химические атмосферные процессы, среди которых выделяют парниковый эффект, происходящий в результате действия парниковых газов, к которым относятся газообразные соединения, воздействующие на проницаемость атмосферы, как для лучей солнца, так и для энергии тепла.

Присутствие в атмосфере парниковых газов является причиной сохранения части тепловой энергии в воздушных приземных слоях.

Парниковыми газами поглощается инфракрасное излучение, исходящее от поверхности Земли и испускаемое атмосферой и облаками. Этими газами задерживается тепло в направлениях «поверхность-тропосфера», что является природным парниковым эффектом.

Концентрации парниковых газов в атмосфере зависят от наличия баланса между источниками газов (антропогенными и природными) и поглотителями (превращение газов в другие химические соединения). А температуру земной поверхности определяет баланс между полученной солнечной энергией и отраженной обратно в космос.

Температура атмосферного излучения зависит от уровня, на котором оно распространяется, при повышении концентрации парниковых газов увеличивается непроницаемость атмосферы для лучей инфракрасного диапазона.

Это приводит к излучению инфракрасных лучей в космическое пространство при меньшей температуре с большей высоты, то есть к принудительному излучению.

Такой дисбаланс может компенсироваться лишь повышением температуры в системе «поверхность-тропосфера», иными словами — усилением парникового эффекта. Чем больше в атмосферном воздухе содержится парниковых газов, тем сильнее перегревается земная поверхность.

Какой оксид главным образом вызывает парниковый эффект?

В зависимости от вклада в прирост парникового эффекта, выделяют следующие парниковые газы:

Несмотря на то что наибольший вклад в парниковый эффект вносит водяной пар (62%), являющийся основным по значению парниковым газом, хозяйственная деятельность человека на его количество не оказывает прямого воздействия.

Содержание водяного пара преимущественно определяется температурой океана и модифицируется с изменением температуры.

При повышении температуры водяных паров увеличивается поток их испарения в атмосферу, что способствует усилению парникового эффекта и возникновению нового витка повышения температуры. Время существования водяного пара в атмосфере составляет порядка 10 суток.

Углекислый газ, в отличие от водяного пара, не отличается высоким вкладом в прирост парникового эффекта (22%), но в то же время, СО₂ в химическом смысле не является активным газом, поэтому обладает способностью длительного нахождения в атмосфере.

Исходя из этого, долю углекислого газа в приросте антропогенного парникового эффекта считают максимальной (50-63%).

Другие названия углекислого газа:

• диоксид углерода;
• оксид углерода;
• двуокись углерода;
• углекислота;
• угольный ангидрид.

Это вещество дает наибольший вклад в парниковый эффект. Средний срок жизни молекул оксида углерода в атмосфере — сотни лет, что способствует их накоплению в атмосфере.

Основные источники поступления оксида углерода:

• сжигание углеродсодержащих видов топлива (нефть, газ, каменный уголь) в промышленности, отопительных системах, теплоэлектростанциях, автомобильных двигателях;
• сокращение площадей лесов;
• частичное поглощение избытка углекислого газа океаном.

В соответствии с научными данными, содержание диоксида углерода в атмосфере в 2014 году составило 2.6·10³ млрд тонн, а ежегодный выброс в атмосферу — 12 млрд тонн СО₂, это 1.5% общего количества углекислого газа.

Выбрасываемые в атмосферу 12 млрд тонн двуокиси углерода распределялись следующим образом:

• 2 млрд т — переработка в процессе фотосинтеза зелеными растениями на суше;
• 3 млрд т — переработка в океане;
• 7 млрд т — не перерабатываются, увеличивая в атмосфере концентрацию диоксида углерода.

Эти цифры свидетельствуют о возможном плохом возобновлении воздуха из-за интенсивной антропогенной деятельности.

Изменение содержания углекислого газа в атмосфере на большую величину за относительно короткий промежуток времени (1960-2000 гг.) объясняется сжиганием углесодержащего топлива.

В соответствии с расчетами американской Национальной академии наук, прогнозируется удвоение концентрации диоксида углерода к 2100 году, что может привести к возрастанию средней температуры земной поверхности на 1.5-4.5°С.

Кроме углекислого газа, на развитие парникового эффекта оказывают влияние увеличение концентрации других парниковых газов, особенно метана.

Роль метана

Вторым долгоживущим парниковым газом по вкладу в прирост антропогенного парникового эффекта является метан, формула СН₄ (18-19%). Рассмотрим кратко, в чем заключается механизм воздействия метана на состояние атмосферы и чем обусловлен вызванный им парниковый эффект.

Антропогенные выбросы метана связаны с применением горючих ископаемых — добычи и транспортировки природного газа, нефти, угля. Газ также выделяется при выращивании скота, разложении сельскохозяйственных органических отходов, твердых бытовых отходов.

Время жизни СН₄ в атмосфере составляет от 8 до 12 лет. Молекулы метана устойчивы, поэтому сложно выводятся из атмосферы. Газ плохо растворим в воде, поэтому с осадками не удаляется.

Метан, являясь легким газом, за короткое время попадает на границу между тропосферой и стратосферой, активно участвуя в парниковом эффекте.

К основным источникам потока СН₄, направленного в атмосферу относятся:

• рисовые поля;
• болота и озера;
• насекомые и жвачные животные;
• мусорные свалки.

Природа образования метана из этих источников считается почти одинаковой, это ферментативная переработка клетчатки. Болотные выделения газа могут происходить с различной интенсивностью.

Поток СН₄ с рисовых полей определен резким ускорением транспортировки газа в стеблях риса (во внутренних полостях) и достигает порядка 50 Тг/год.

Одной коровой в сутки производится порядка 250 литров чистого метана, которого достаточно для кипячения 20 литров воды. А стадом коров в год выделяется в атмосферу до 80 Тг метана.

В соответствии с оценкой ученых Института ядерной физики Гейдельберга, от живых растений ежегодно в атмосферу может поступать 10-30% от общего количества метана. От разработки нефтяных месторождений метановые выбросы достигают 100 Тг/год. При добыче 1 тонны угля выделяется 13 м³ чистого метана.

Согласно научным данным, в атмосфере содержится порядка 5 Гт метана. Потепление климата и ускорение микробиологических процессов способствуют дополнительному поступлению газа в атмосферу и усилению парникового эффекта.

Влияет ли мусор на парниковый эффект?

В мире каждый год образуются громадные объемы органических отходов, включающих смесь:

• пластика и стекла;
• металлов и картона;
• строительного мусора и пищевых отходов;
• резины и бумаги.

В городах количество твердых бытовых отходов составляет порядка 400-450 млн тонн в год или 250-700 кг на одного жителя нашей планеты.

Порядка 80% потока отходов поступает на свалки, которые считаются третьим по величине антропогенным источником вредных выбросов, что составляет порядка 12% глобальных выбросов в атмосферу.

На мусорных полигонах в условиях захоронения отходов создаются анаэробные условия, и происходит гниение мусора с участием бактерий.

Ацидогены способствуют первичному разложению отходов на летучие карбоновые кислоты, а бактерии метаногены из карбоновых кислот вырабатывают метан и диоксид углерода, являющимися макрокомпонентами свалочного газа.

Метан — основная составляющая свалочного газа, который выделяется мусорными полигонами. При выбросах метана в атмосферу газ принимает участие в формировании парникового эффекта.

Проведенное в 1987 году исследование показало, что эмиссия свалочного метана составила от 30 до 70 млн тонн в год (6-18% от общего потока газа на нашей планете). Изучая возможные причины появления и усиления парникового эффекта, ученые отметили, что эта величина выше выделяемой угольными шахтами массы метана.

А из-за постоянного роста в развивающихся странах объемов твердых бытовых отходов, исследователи составили неутешительный прогноз о перспективах мусорных полигонов как основных глобальных источников загрязнения метаном.

Проведенная Межправительственной комиссией по изменению климата (IPCC) оценка глобальной эмиссии свалочного метана в 90-х годах подтвердила верность ранее проведенных оценок (получили величину 40 млн тонн в год).

Исходя из этих результатов, свалочный метан был включен в реестр основных источников парниковых газов Земли. А вклад России в глобальную эмиссию, по оценкам IPCC, составляет 2.5% от потока планеты.

Видео по теме

Как происходит теплоотдача на нашей планете, почему возникает парниковый эффект, какой оксид и какие другие вещества его вызывают — все эти вопросы освещены в данном видео ролике:

В видео ниже рассказывается все о парниковых газах — с чем связано формирование парникового эффекта, каковы его причины, какие виды топлива способствуют его созданию:

Заключение

Плотность парниковых газов в приземной атмосфере увеличивается.

Основные причины:

• сжигание топлива, исчисляемого миллионами тонн;
• рост объемов производства и твердых бытовых отходов;
• большое потребление энергии;
• увеличение парка автомобилей.

Это проявляется в задержке и обратном возврате теплового излучения, из-за чего возникает климатический дисбаланс — парниковый эффект, все последствия которого предугадать невозможно.