Парниковые газы: причины, источники и воздействие на окружающую среду

За явлениями глобального потепления и изменения климата кроется увеличение содержания парниковых газов в нашей атмосфере. Парниковый газ - это любое газообразное соединение в атмосфере, которое способно поглощать инфракрасное излучение, тем самым улавливая и удерживая тепло в атмосфере. Увеличивая температуру в атмосфере, парниковые газы ответственны за парниковый эффект, который в конечном итоге приводит к глобальному потеплению.

Солнечная радиация и "парниковый эффект"

Глобальное потепление не является недавней научной концепцией. Основы этого явления были разработаны более века назад шведским физиком и химиком Сванте Аррениусом в 1896 году. Его статья, опубликованная в журнале Philosophical Magazine и журнале Science, была первой, в которой была дана количественная оценка вклада углекислого газа в то, что ученые сейчас называют "парниковым эффектом".

Парниковый эффект возникает из-за того, что солнце бомбардирует Землю огромным количеством излучения, которое попадает в атмосферу Земли в виде видимого света, а также ультрафиолетового (УФ), инфракрасного (ИК) и других видов излучения, невидимых человеческому глазу. Ультрафиолетовое излучение имеет более короткую длину волны и более высокий уровень энергии, чем видимый свет, в то время как ИК-излучение имеет более длинную длину волны и более низкий уровень энергии. Около 30% излучения, попадающего на Землю, отражается обратно в космос облаками, льдом и другими отражающими поверхностями. Оставшиеся 70% поглощаются океанами, сушей и атмосферой.

Когда они нагреваются, океаны, суша и атмосфера выделяют тепло в виде инфракрасного теплового излучения, которое выходит из атмосферы в космос. Именно это равновесие входящего и исходящего излучения делает Землю пригодной для жизни со средней температурой около 15 градусов по Цельсию. Без этого атмосферного равновесия Земля была бы такой же холодной и безжизненной, как луна, или такой же раскаленной, как Венера. Луна, у которой почти нет атмосферы, находится примерно в минус 153 ° C на своей темной стороне. Венера, с другой стороны, имеет очень плотную атмосферу, которая задерживает солнечное излучение; средняя температура на Венере составляет около 462 ° C.

Обмен входящим и исходящим излучением, которое согревает Землю, часто называют парниковым эффектом, потому что сельскохозяйственная теплица работает почти таким же образом. Входящее коротковолновое ультрафиолетовое излучение легко проходит через стеклянные стены теплицы и поглощается растениями и твердыми поверхностями внутри. Однако более слабое длинноволновое ИК-излучение с трудом проходит через стеклянные стены и, таким образом, задерживается внутри, нагревая теплицу.

Как парниковые газы вызывают глобальное потепление

Газы в атмосфере, поглощающие излучение, известны как "парниковые газы", поскольку они в значительной степени ответственны за парниковый эффект. Парниковый эффект, в свою очередь, является одной из ведущих причин глобального потепления. Наиболее значимыми парниковыми газами, по данным Агентства по охране окружающей среды, являются: водяной пар (H2O), диоксид углерода (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O).

В то время как кислород (O2) является вторым по распространенности газом в нашей атмосфере, O2 не поглощает тепловое инфракрасное излучение.

Глобальное потепление и парниковые газы, которые его вызывают, происходят естественным путем — без них средняя температура поверхности Земли была бы равной минус 18°C. Но в недавней истории количество парниковых газов в атмосфере резко возросло до пагубных уровней.

В течение 20 000-летнего периода до промышленной революции содержание CO2 в атмосфере колебалось примерно между 180 частями на миллион (ppm) во время ледниковых периодов и 280 частями на миллион во время межледниковых теплых периодов. Однако с начала промышленной революции в 1750-х годах количество CO2 выросло почти на 50%, согласно порталу глобального изменения климата НАСА. Сегодня уровень CO2 составляет более 410 промилле.

Фторированные газы — газы, в которые добавлен элемент фтор, образуются в ходе промышленных процессов и также считаются парниковыми газами. К ним относятся гидрофторуглероды, перфторуглероды и гексафторид серы. Хотя они присутствуют в атмосфере в очень малых концентрациях, они очень эффективно улавливают тепло, что делает их газами с высоким потенциалом "глобального потепления" (ПГП).

Существует три фактора, влияющих на степень влияния парниковых газов на глобальное потепление: его содержание в атмосфере, как долго он остается в атмосфере и его ПГП. Например, водяной пар является наиболее распространенным парниковым газом, но углекислый газ оказывает более значительное влияние на глобальное потепление из-за его обилия в атмосфере плюс относительно длительный срок службы в атмосфере от 300 до 1000 лет, по данным НАСА. С другой стороны, срок службы водяного пара в атмосфере составляет не более 10 дней.

Метан примерно в 21 раз эффективнее поглощает излучение, чем CO2, что дает ему более высокий показатель ПГП, даже несмотря на то, что он остается в атмосфере всего около 12 лет. Хотя метан и другие парниковые газы способны улавливать больше тепла, чем CO2, ученые по-прежнему считают углекислый газ доминирующим парниковым газом, поскольку его эффект потепления переживает другие эффекты на столетия.

Источники парниковых газов

Некоторые парниковые газы, такие как метан, образуются в результате сельскохозяйственной практики, например, в виде навоза домашнего скота. Другие, такие как CO2, в значительной степени являются результатом естественных процессов, таких как дыхание, и сжигания ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и газ.

Еще одним основным источником CO2 является вырубка лесов. Когда деревья срубают для производства товаров или тепла, они выделяют углерод, который обычно накапливается для фотосинтеза. По данным Института мировых ресурсов, этот процесс ежегодно выбрасывает в атмосферу до 4,8 миллиарда метрических тонн углерода.

Лесное хозяйство и другие методы землепользования могут компенсировать некоторые из этих выбросов парниковых газов. Пересадка помогает уменьшить накопление углекислого газа в атмосфере, поскольку растущие деревья поглощают углекислый газ посредством фотосинтеза. Однако леса не могут поглощать весь углекислый газ, который мы выбрасываем в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, и сокращение выбросов ископаемого топлива по-прежнему необходимо, чтобы избежать накопления в атмосфере.

Во всем мире выбросы парниковых газов вызывают серьезную озабоченность. За последние 60 лет атмосферный CO2 ежегодно увеличивался в 100 раз быстрее, чем предыдущий естественный прирост. В последний раз глобальное содержание CO2 в атмосфере было таким высоким 3 миллиона лет назад, когда температура была на 3 градуса по Цельсию выше, чем в доиндустриальную эпоху. В результате современного глобального потепления, вызванного выбросом CO2, 2016 год стал самым теплым за всю историю наблюдений, а 2019 и 2020 годы стали следующими самыми теплыми соответственно. Фактически, по данным Всемирной метеорологической организации, все шесть самых жарких лет за всю историю наблюдений произошли с 2015 года.

Будущее нашей планеты

Если нынешние тенденции сохранятся, ученые опасаются, что экстремальные погодные условия, повышение уровня моря, вымирание растений и животных, подкисление океана, серьезные изменения климата и беспрецедентные социальные потрясения будут неизбежны.

В целях борьбы с глобальным потеплением, вызванным выбросами парниковых газов, в апреле 2016 года представители 73 стран подписали Парижское соглашение, международный пакт по борьбе с изменением климата путем инвестирования в устойчивое низкоуглеродное будущее.

По данным Программы ООН по окружающей среде, для ограничения глобального потепления до целевого показателя 1,5 градуса по Цельсию, установленного Парижским соглашением, миру все еще необходимо сократить выбросы CO2 на 7,6% в течение следующего десятилетия.

Исследователи по всему миру продолжают работать над поиском способов снижения выбросов парниковых газов и смягчения их последствий. Одно из потенциальных решений, которое изучают ученые, состоит в том, чтобы высосать часть углекислого газа из атмосферы и похоронить его под землей на неопределенный срок. Сторонники утверждают, что улавливание и хранение углерода технологически осуществимо, но рыночные силы помешали широкому внедрению.

Livescience 09/06/2021