7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Эта проблема в настоящее время — одна из централь­ных и наиболее важных при оценке естественного цикла СО2 в системе океан—атмосфера—биосфера в условиях антропогенного воздействия.

В результате сжигания топлива в атмосферу ежегодно поступает около 5 млрд. т углерода. Чтобы изменить эту ситуацию, потребовалось бы коренным образом пере­строить технологию использования энергетических мощ­ностей и источников топлива, что, вероятно, трудно осу­ществить быстро и легко, поскольку проблема эта глобаль­ная и связана со всей структурой мировой экономики. На углеродном цикле, помимо сжигания топлива, сказывает­ся и воздействие человека на биосферу и океан. Все это серьезно усложняет проблему. К тому же еще не ясно, приведет ли увеличение СО2 к неблагоприятным последст­виям для человека.

Как говорилось, общие запасы топлива оцениваются около 1,3•1013 т условного топлива (около (5—8)•1012 т чистого С). При сжигании угля, нефти и газа на 1012Дж в атмосферу выделяется соответственно 87, 71 и 51 т СО2.

Фактические данные указывают, что с начала индуст­риального развития общества, с 1860 по 1975 г. концент­рация СО2 увеличилась с 290 до 333 ррт, что в пересчете на углерод с 617,2 до 702,4 Гт. При коэффициенте пере­хода от С к СО2 3,664 это соответствует увеличению содер­жания СО2 в атмосфере с 2440 до 2574 Гт (в дальнейшем мы будем оговаривать цифры, относящиеся к С или СО2).

Всего за индустриальный период в атмосферу посту­пило свыше 240 Гт С (около 95 Гт за счет вырубки и сжигания лесов и 146 Гт непосредственно за счет сжига­ния ископаемого топлива). В то же время увеличение С в атмосфере оценивается в среднем порядка 85,2 Гт. Дру­гими словами, менее половины СО2, поступившего в атмо­сферу за счет сжигания топлива, оставалось в атмосфере. Оставшаяся часть поглощалась океаном и биосферой.

Более подробно эта картина иллюстрируется табл. 11.

T_011

Если в 1960 г. годовой выброс С за счет сжигания ис­копаемого топлива составил, по данным различных авто­ров, 2,61-2,67 Гт/год, то в 1975 г. уже 4,8-5,0 Гт/год. В1960 г. на долю угля, нефти и газа соответственно при­ходилось 56,2; 31,4 и 10,8% поступающего в атмосферу С. В 1975 г. соотношение между этими источниками было иным и составило 37,7; 44,1; 16,2%. Однако приведен­ную динамику ни в коем случае нельзя экстраполировать на будущее, так как со временем особенно в конце текущего и в следующем столетии, роль угля вновь воз­растет.

Рассматриваемая задача осложняется еще и тем, что имеются и другие источники антропогенного поступления СО2 в атмосферу: сжигание лесов, промышленной древе­сины и ее отходов, культивация земель, минеральные ис­точники и т.д. За счет этого поступает дополнительно от 2 до 5 Гт С в год, а в сумме поток антропогенного С в атмосферу дает 7—10 Гт С в год. Всего в атмосфере оста­ется 25—30% антропогенного С, на долю же океана и био­сферы приходится около 70%.

Существует еще один антропогенный источник С — биосферного происхождения (воздействие на почву, расти­тельность и др.). До середины нашего столетия за счет этого источника С поступало больше, чем от сжигания ископаемого топлива. Позже рост СО2 за счет сжигания ископаемого топлива стал преобладать. В настоящее вре­мя по данным радиоуглеродного анализа колец деревьев отношение С, поступившего за счет сжигания ископаемого топлива, к биосферному источнику антропогенного проис­хождения составляет 2:1.

Определить антропогенное влияние на общее содержа­ние СО2 в атмосфере невозможно, если не исследовать в целом естественный цикл С в системе океан—атмосфера-биосфера при наличии двух источников — сжигания иско­паемого топлива и воздействия на биосферу.

Прежде всего нужно охарактеризовать динамику во времени антропогенного поступления СО2 в атмосферу. Сделать это можно при знании роста добычи топлива, тех­нологии очистки продуктов сжигания и процесса воздей­ствия на биосферу, что само по себе пока еще не подда­ется точному прогнозу. Однако, принимая во внимание темпы роста населения и скорость роста добычи топлива, можно оценить роль антропогенных источников или, по крайней мере, диапазон изменения этих источников.

На рис. 20 приведен график, характеризующий скорость поступления СО2 в атмосферу при различной интенсивно­сти антропогенных источников. Расчеты показывают, что изменение темпов роста от 6,53 (Rо = 0,0653) до 1,53% (R0=0,0153) сдвигает время наступления максимальной концентрации с середины следующего столетия к середи­не XXIV в. Сжигание всего разведанного химического топ­лива привело бы к увеличению максимальной концентра­ции СО2 в атмосфере, которая в 8—11 раз превысит кон­центрацию доиндустриального периода. Влияние океана и биосферы уменьшает эту концентрацию.

Интенсивность антропогенного роста СО2 в атмосфере

Интенсивность антропогенного роста СО2 в атмосфере

Определенное количество СО2, которое будет оставать­ся в атмосфере, и динамика этого процесса могут быть оценены на основе результатов математического модели­рования углеродного цикла, которое осуществляется с по­мощью так называемых блочных (линейных, нелинейных, комбинированных) математических моделей. Наиболее оп­тимальны 5—6-блочные модели с указанными выше двумя антропогенными источниками. Атмосферу в этих моде­лях чаще всего рассматривают как единый резервуар. В ряде современных моделей атмосферу подразделяют на два резервуара, два блока с различными свойствами — тро­посферу и стратосферу. Для атмосферы характерно хра­нение С в виде различных соединений (главное СО2).

Земная биосфера поглощает СО2 в процессе синтеза и хранит С в стволах деревьев, почве, перегное, листве и др. В современных моделях биосферу подразделяют на короткоживущую биоту с характерным временем перемеши­вания около 2,5 лет (листья, трава и др.) и долгоживущую с характерным временем перемешивания порядка 60 лет. В биосфере содержится около 835 Гт С, хотя по различ­ным оценкам данная цифра несколько колеблется. Около 90% С сосредоточено в лесах.

Роль океана в цикле СО2, по мнению большинства ис­следователей, исключительна велика, поскольку он явля­ется основным источником С и хранителем излишков ин­дустриального СО2. Обычно океан разделяют на два слоя: верхний, хорошо перемешанный толщиной порядка 75 м (деятельный океан), в котором содержится 600—750Гт С (т. е. примерно столько же, сколько и в атмосфере), и глубинный, медленно перемешивающийся, в нем около 40 тыс. Гт С, т. е. примерно в 50 раз больше, чем в атмо­сфере и деятельном слое. Часть С глубинного океана на­ходится в виде бикарбонатных ионов и около 1 тыс. Гт в виде растворенного органического вещества. Общее со­держание С в почве колеблется от 1 тыс. до 3 тыс. Гт. Это объясняется различными оценками содержания торфа.

Между атмосферой, биосферой и океаном существует непрерывный обмен СО2, причем скорость его зависит от климатического режима. Так, скорость обмена СО2 между атмосферой и деятельным слоем океана обусловлена тем­пературой воды. В результате в высоких широтах поток СО2 направлен в основном из атмосферы в океан, а в юж­ных районах из океана в атмосферу. Наличие загрязняю­щих океан пленок нефти может уменьшить этот обмен.

Время полного обмена между глубинным океаном и его деятельным слоем порядка 300 лет, между деятель­ным слоем и глубинным океаном 4—6 лет. Между атмосфе­рой и биосферой и биосферой и атмосферой время обмена соответственно 33 и 40 лет, а между атмосферой и дея­тельным океаном 5—6 лет.

Результаты математического моделирования углерод­ного цикла с моделями различной сложности зависят от типа и параметров модели, скоростей обмена и т.д. Од­нако общая качественная картина получается сходной. Ре­зультаты моделирования с одной из последних и наибо­лее полных моделей углеродного цикла, учитывающей влияние биосферы, иллюстрирует рис. 21. На рис. 216, в приведены результаты моделирования при различных зна­чениях параметра биологического роста (в), характери­зующего скорость поглощения антропогенного СО2 био­сферой. Чем больше р, тем больше антропогенного СОпереходит в биосферу. После того как концентрация ант­ропогенного С в атмосфере достигнет максимума, что про­исходит вслед за максимальным его выбросом, в атмосфе­ре начинается спад концентрации. В пределе концентра­ция стремится к величине (порядка 10—20%), не намного больше имевшей место в доиндустриальный период в атмосфере. Однако максимальная концентрацияС (СО2) в ат­мосфере будет в 5,5—7 раз выше, чем в предындустриаль­ный период.

Результаты моделирования предполагаемого роста СО2

Результаты моделирования предполагаемого роста СО2

Равновесие наступает в результате перекачки антро­погенного С в океан и биосферу к концу XXIII в. При этом СО2 увеличится в океане и во всех биосферных ре­зервуарах (в рассматриваемой модели имелось 14 резер­вуаров, из них 8 биосферных). Основным поглотителем СО2 является все же океан. При этом между 2060 и 2260 г. в глубинном океане СО2 накапливается постоянно. Максимальная концентрация в глубинном океане и дея­тельном его слое достигает 41021—42 456 Гт (в началь­ный период 38420 Гт) в зависимости от в, т. е. от той доли антропогенного СО2, которую берет на себя биосфера.

К 2000 г. масса С в атмосфере достигнет 798,1— 892,2 Гт в зависимости от параметров модели. Увеличение по сравнению с 1960 г. составляет 21—30%, что, возмож­но, несколько завышено, поскольку на 1975 г. при неко­торых параметрах модель дает завышенные значения СО2 в атмосфере. Тем не менее к концу XX в. увеличение СО2 в атмосфере на 20—25%, по-видимому, реально. Двой­ная концентрация СО2 по данным этих экспериментов мо­жет быть достигнута в середине XXI в. или позже в за­висимости от темпов антропогенного поступления СО2.

Время достижения максимальной (от четырех- до семи- ­восьмикратной) концентрации при разных параметрах модели колеблется для атмосферы между 2135 и2195 г., для глубинного океана — между 2285 и 2345 г., а для дея­тельного слоя океана — между 2155 и 2170 г.

Приведенные оценки относятся к числу наиболее реа­листичных. Однако рассматривая влияние антропогенного роста СО2 на климат, обратим внимание на дву-, трех­кратное увеличение СО2. Дело в том, что для биосферы и человека многократное увеличение СО2 не представляет никакой опасности, а во многих отношениях, главным об­разом с точки зрения ускорения роста растений, оно даже выгодно. По существующим оценкам двукратное увеличе­ние антропогенного СО2 может вызвать рост деревьев в течение следующих 200 лет.

Полосы поглощения углекислым газом тепловой ра­диации обладают пределом возможного поглощения. В связи с этим тепличный эффект (подъем температуры в нижней тропосфере) по мере роста концентрации СО2 после его двукратного увеличения замедляется и при возрастании концентрации более чем в 2—3 раза тепличный эффект проявляет себя примерно так же, как и при дву-, трехкратном увеличении СО2. Поэтому влияние роста СО2 обычно оценивают при дву-, трехкратном увеличении его в атмосфере, т. е. к середине или к концу следующего сто­летия (по мнению некоторых специалистов, для начала следующего столетия эта оценка явно завышена).

На рис. 22 приведены результаты численных экспери­ментов, выполненных в США. Как видим, рост концент­рации СО2 более чем в 2 раза меняет результаты, при че­тырехкратном увеличении эффект заметен, но далее он ослабевает.

Результаты модельных расчетов по изменению температуры в атмосфере

Результаты модельных расчетов по изменению температуры в атмосфере

Практически все численные эксперименты указы­вают на рост температуры в нижней тропосфере и охлаж­дение атмосферы в верхней тропосфере и стратосфере. Вследствие этого увеличиваются вертикальный темпера­турный градиент, неустойчивость атмосферы, конвектив­ные движения, облачность и осадки. В результате воз­никающей здесь обратной связи (увеличение альбедо и отраженной радиации) роль тепличного эффекта умень­шается. Подъем температуры в полярных районах может достигать 8—10° С (в средних и низких широтах 1—2° С).

По оценкам различных моделей средняя для полуша­рия величина повышения температуры за счет теплично­го эффекта от 0,7—0,8 до 9,6° С у поверхности. Наиболее реальны, по-видимому, оценки тепличного эффекта в сред­нем для. полушария у поверхности в 2—2,5° С при дву­кратном увеличении СО2.

Однако некоторые исследователи показали, что чистое увеличение температуры при удвоении концентрации СО2 составляет всего 0,25° С. Остальной же рост температуры обязан побочному тепличному эффекту, связанному с по­вышением испарения и увеличением содержания в атмо­сфере водяного пара, который обладает сам тепличным эффектом.

Какие же последствия могут быть вызваны увеличе­нием СО2? Прежде всего — это возможное изменение ре­жима осадков и испарения, потепление климата, наиболее сильное в высоких широтах, отступление снеговой линии, таяние ледников, нестабильность ледяного покрова, нару­шение циркуляции атмосферы и океана, частые засухи.

На ряде отраслей народного хозяйства многие из этих изменений не обязательно скажутся отрицательно, для лесов и сельского хозяйства, наоборот, вероятен даже положительный эффект. Однако при потеплении климата и океана может увеличиваться поток СО2 в атмосферу. В этом случае может усилиться тепличный эффект,растаят континентальные льды, повысится уровень океана, будут затоплены прибрежные районы и др. Так, Болин считает, что при потеплении климата уровень океана нач­нет повышаться на 1 мм в год (за 100 лет на 10 см). По данным Гриббина, повышение уровня океана вследст­вие таяния льда в Антарктике составит 5 м за 300 лет. Эти оценки слишком приближенные. Тем не менее в лю­бом случае, если научные исследования подтвердят ве­роятность того, что воздействие на биосферу и сжигание ископаемого топлива представят серьезную угрозу окру­жающей среде и климату, перед человечеством возникнет ряд серьезных проблем. Главная из них — замена ископае­мого топлива альтернативными энергетическими источни­ками. Среди них основное место будут занимать ядерная, солнечная и ветровая энергия, энергия океана, геотермаль­ное тепло. Большинство из этих источников энергии зави­сит от климата.

Имеются, однако, основания предполагать, что пробле­ма СО2 при всей ее важности может оказаться и преуве­личенной, а скорее всего даже не единственной при рас­смотрении тепличного эффекта. Действительно, за 100 лет, с 1860 по 1960 г., количество СО2 в атмосфере возросло на 12—13%, но климат за это время не потеплел, а в по­следние десятилетия даже похолодал.

Помимо СО2 и другие малые примеси, например фреоны (хладоны), обладают тепличным эффектом. Фреоны — одна из разновидностей фторхлоруглеродныхсоединений. Они поступают в атмосферу вследствие их применения в разного рода промышленных и бытовых установках (ре­фрижераторы, холодильники, системы кондиционирования воздуха и др.) и при производстве товаров широкого по­требления (аэрозольные упаковки — распылители парфю­мерных и косметических товаров,инсектицидных препа­ратов, лаков, красок и т. п.).

В настоящее время около 85—87% общего производ­ства фреонов попадает в атмосферу. Поскольку время жиз­ни Ф-11 и Ф-12 соответственно 50 и 70 лет, они накапли­ваются в атмосфере, и в этом их главная опасность. По имеющимся оценкам в атмосферу с 1958 по 1975 г. вы­брошено около 2,9-106 т Ф-11 и 4,4•106 т Ф-12. При этом доля США составила соответственно 42 и 50%, а доля СССР всего 13 и 4,8%.

Фреоны оказывают двоякое действие на атмосферу. С одной стороны, они разрушают озонный слой и вызы­вают вследствие этого неблагоприятные биологические эф­фекты, с другой — подобно СО2 и некоторым другим малым примесям) (например, N2О, CH4, CC12F2, NH3, водяно­му пару и др.), обладают тепличным эффектом.

Интенсивность полос поглощения инфракрасной ра­диации Ф-11 почти в 5 раз, а Ф-12 почти в 4 раз больше, чем интенсивность поглощения инфракрасной радиации группой полос СО2. Только из-за малой концентрации фреонов по сравнению с СО2 их эффект пока незаметен. На 1975 г. концентрация Ф-11 и Ф-12 в атмосфере соста­вила соответственно 0,09 и 0,21 ppb (ppb — единица из­мерения, которая в 1000 раз меньше ррт). Расчеты по­казывают, что, если рост производства этих фреонов бу­дет составлять соответственно 10 и 5% в год, через 100 лет их концентрация увеличится в 25441 и 310 раз. Если даже выпуск фреонов в атмосферу будетСоответствовать нынешнему уровню, через 100 лет количество их в атмо­сфере возрастет в 120 раз. При сокращении выброса фрео­нов на 5% в год концентрация их через 100 лет увели­чится всего в 2,2 раза.

Возможные изменения температуры при различных темпах роста фреонов, а также их сравнение с тепличным эффектом приведены в табл. 12.

T_012

Из данных таблицы, которые, безусловно, нуждаются в уточнениях, особенно в части поглощательных свойств фреонов, видно, что эффект влияния фреонов должен уси­ливать влияние тепличного эффекта за счет СО2. Тот факт, что этого пока не наблюдается, объясняется как малой концентрацией этих газов, так и влиянием других малых примесей, которые оказывают эффект, обратный теплич­ному. Поэтому существует необходимость совокупной оценки влияния всех малых примесей, в том числе обла­дающих способностью поглощать не только инфракрас­ную, но и ультрафиолетовую радиацию и компенсировать влияние тепличного эффекта.

В первую очередь сюда следует отнести азотный цикл в атмосфере в связи со сжиганием топлива, ядерными взрывами, внесением азотных удобрений и др. Образую­щиеся азотные соединения играют важную роль в фото­химии озона и поглощении коротковолновой солнечной радиации. Далее идет серный цикл. Выбросы в атмосферу серных соединений в результате деятельности человека почти целиком представляют двуокись серы. S окисляет­ся в H2SO4 и в конечном итоге переходит в аэрозоль. Последний влияет на климат главным образом через стра­тосферный мелкодисперсный аэрозоль, состоящий из со­единений S. Кроме того, образующаяся при соединении двуокиси серы с водой H2SO4 попадает в облака и осадки, а через них в почву, окисляя ее, и в водоемы, влияя на рыбный промысел.

Все эти факты заслуживают самого внимательного анализа при оценке воздействия малых компонентов на климат и в целом на окружающую среду.