Новости и комментарии

Изменение климата и изменение циклов обращения парниковых газов в системе атмосфера-литосфера-гидросфера - обратные связи могут значительно усилить парниковый эффект.

Иващенко О.В.
17 сентября 2005 г.

В продолжение темы возможного разложения больших масс метангидратов под действием глобального потепления, что в свою очередь приведет к несравнено более высокому потеплению, приводим нашу обзорную статью по этой теме

Проблема современного изменения климата до сих пор еще часто рассматривается только как проблема прямого антропогенного влияния на климат - как проблема выброса парниковых газов от человеческой деятельности. Только в последнее время, примерно начиная с 90-х годов прошлого столетия, начались серьезные исследования о влиянии климатических изменений на потоки парниковых газов в атмосферу из естественных резервуаров гидро- и литосферы, и о дополнительных климатических изменениях благодаря этим процессам (Карнаухов, Щербаков, Baes, Kvenvolden, MacDonald, Nisbet, Englezos и др.). Вместе с тем, данное направление чрезвычайно актуально - даже простейшие исследования показывают, что эффект от работы таких обратных связей может заметно превысить антропогенный вклад в изменение климата, хотя роль последнего тоже нельзя преуменьшать - его можно рассматривать, как своеобразный спусковой крючок, который запускает значительно более мощные процессы.

Как известно, к парниковым газам относятся водяной пар, углекислый газ, метан, закись азота, озон и галоидуглероды с родственными им соединениями. При рассмотрении проблемы связей между изменениями климата и изменениями циклов обращения парниковых газов, прежде всего стоит обратить внимание на водяной пар, углекислый газ и метан - обращение остальных газов либо практически не имеет обратных связей с климатическими изменениями, определяясь почти исключительно антропогенным фактором (фреоны), либо влияние этих связей весьма мало (в случае закиси азота и озона).

Водяной пар - главный на сегодня парниковый газ, его вклад в парниковый эффект земной атмосферы составляет сейчас примерно 20,6 °С (1). Вместе с тем, антропогенное влияние на его содержание, до недавнего времени было ничтожно мало. Однако уже сейчас, это влияние растет и в будущем вырастет еще больше - за счет такой обратной связи, как рост испарения при потеплении климата. Известно, что при увеличении температуры увеличивается и испарение водяного пара, и на каждые 10 °С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается, и значит, при дальнейшем потеплении климата, которое прогнозируется в современных исследованиях (до 5,8 °С, а то и больше, к концу столетия), рост содержания водяного пара может быть весьма заметным. Но тут стоит заметить, что рост содержания водяного пара в атмосфере дает далеко не однозначные последствия - с одной стороны это рост содержания парникового газа в атмосфере, и соответственно, дополнительное потепление (хотя и слабое, так как линии поглощения водяного пара уже насыщены); c другой стороны это возможный рост облачности и увеличение альбедо, а значит и некоторое охлаждение. Хотя некоторые исследования показывают что, либо рост облачности будет крайне незначительным (по данным И. Мохова рост площади порядка 0,4% на градус потепления), либо даже отрицательным (2).

Значительно больше определенности в отношении углекислого газа и метана. Рост содержания в атмосфере углекислого газа рассматривается сейчас как главный фактор происходящего потепления климата. В настоящее время его вклад в общий парниковый эффект земной атмосферы составляет около 7 °С (1), но при этом быстро растет, соответственно росту содержания в атмосфере (на 30% за последние два столетия, причем заметно ускоряясь в последние десятилетия). В атмосфере сейчас содержится около 750 Гт углекислого газа в пересчете на чистый углерод (3). В то же время, в естественных резервуарах суши и океанов запасено несравненно большее количество углерода, нежели его содержиться в атмосфере: содержание углекислого газа в гидросфере (прежде всего океаны) сейчас составляет 4х104 Гт углерода (4), включая глубинные слои, в литосфере хранится около 6х107 Гт углерода (5), содержание углерода в почвах в несколько раз превышает атмосферное. Обмен между атмосферой с одной стороны и океанами и сушей с другой - примерно 190 Гт ежегодно в каждом направлении (4). Однако современная человеческая деятельность дает к этому довольно сбалансированному обмену дополнительный поток CO2 в атмосферу порядка 9 Гт ежегодно (правда около 2-3 Гт из них все же дополнительно поглощаются сушей и океаном, так что результирующий поток сейчас около 6 Гт), что и приводит к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере.

При прогнозируем потеплении на ближайшее будущее в несколько градусов, может прежде всего вскрыться такой резервуар захороненного углекислого газа, как океаны, а также относительно незначительный резервуар - вечная мерзлота и северные болота, которые при потеплении начнут интенсивно выпускать углекислый газ. Для вскрытия других резервуаров необходимо несравненно более сильное потепление (десятки и сотни градусов).

В настоящее время океаны еще поглощают углекислый газ из атмосферы, хотя все меньше и меньше, но в ближайшем будущем, при прогреве океанических вод, из поглотителя СО2 могут стать мощным источником его. Связано это прежде всего как с известным фактом падения растворимости СО2 в воде с ростом температуры (приблизительно на 15% на каждые 5 градусов, в случае пресной воды), так и с высвобождением СО2 из бикарбонатов (в форме бикарбонат-ионов хранится в океанических водах основная часть СО2, и для этого желательна низкая температура, наряду с высоким давлением).

Но наиболее значимой на наш взгляд, представляется обратная связь между потеплением и повышением содержания метана в атмосфере. До недавнего времени вклад метана в общий парниковый эффект составлял около 0,8 °С (1). Но благодаря его способности поглощать инфракрасное излучение, большей чем у углекислого газа в 21 раз (на единицу массы), а также быстрому росту содержания в атмосфере, примерно на 150% с начала индустриальной эпохи (причем в основном в последние десятилетия), его влияние заметно растет. Уже к 2000 году радиационный форсинг от повышения его концентрации составил 0,5 Вт/м2 (6), т.е. треть от радиационного форсинга углекислого газа (1,5 Вт/м2). Включение же при потеплении, механизмов по высвобождению метана из естественных резервуаров, приведет к еще большему накоплению метана в атмосфере и большему потеплению.

В настоящий момент в атмосфере содержится около 5 Гт метана. При потеплении климата начинается дополнительное поступление метана в атмосферу благодаря ускорению микробиологических процессов (рост выделения составляет приблизительно 10% на градус потепления), а также благодаря разрушению т.н. метангидратов, как на суше (при таянии вечной мерзлоты), так и в океанах (при прогреве глубинных вод). При этом стоит заметить, что сток метана из атмосферы ограничен, и не может заметно возрасти - он обусловен в основном только фотохимическими реакциями в атмосфере по образованию радикала OH, с которым и связывается метан в ряде реакций, плюс небольшое поглощение обеспечивают метанпоглощающие бактерии в почве.

В метангидратах на сегодняшний день сосредоточено порядка 10 тыс. Гт метана в пересчете на углерод (7), и разрушение даже небольшой части их может кардинально повлиять на тепловой баланс Земли. Метангидраты - это твердые льдоподобные образования, в которых в каркасах молекул воды за счет действия ван-дер-ваальсовских сил присутствуют еще и молекулы метана, что в определенных условиях становится более энергетически выгодным, чем раздельное существование смеси из воды и метана. Для образования метангидратов требуются низкие температуры и относительно высокое давление - так, при 0 °С давление, позволяющее образоваться метангидрату и обеспечивающее его устойчивость, должно достигать порядка 25 бар - такое давление достигается в океане на глубине около 250 м. Хотя метангидраты могут существовать и при атмосферных давлениях (но обязательно при низких температурах), за счет эффекта самоконсервации. Основная часть метангидратов сосредоточена в океанических глубинах (около 99%), и лишь малая толика на суше в вечной мерзлоте (хотя и там запасено во многие десятки раз больше нынешнего его атмосферного содержания).


Диаграмма состояний для метана, воды и метангидратов (8)

Если взглянуть на фазовую диаграмму для метангидратов (8), то видно что для разрушения практически всех залежей океанических метангидратов, необходим прогрев глубинных вод и прилегающего слоя верхнего слоя донных пород менее чем на 30 °С. Но для разрушения нескольких процентов от этих запасов (что хватит для сильнейшего влияния на тепловой баланс Земли), достаточно всего лишь потепления на несколько градусов. А это возможно, учитывая даже весьма осторожные прогнозы МГЭИК о потеплении к концу столетия в среднем по планете на 5,8 °С, тем более что прогнозируемое одновременно с этим изменение океанической циркуляции вполне может усилить теплообмен между поверхностью воды и глубинными слоями, обеспечивая их ускоренный прогрев (см. "И вновь о возможном разрушении части мировых запасов метановых газогидратов").

По нашей гипотезе, в предположении разрушения 10% от современных запасов метангидратов, И.К. Лариным (Институт энергетических проблем химической физики РАН) был проделан приблизительный расчет концентрации и времени жизни метана в атмосфере, а также эффекта потепления от увеличения концентрации метана. К концу столетия концентрация метана в атмосфере вырастет примерно в 300 раз и составит около 300 ppm, а время жизни его в атмосфере увеличится с примерно 10 до 100 лет. Температура поверхности Земли может увеличится на 15-20 °С - однако, скорее всего реальное повышение будет меньше - при расчете радиационного форсинга использовались формулы, которые справедливы при значительно меньших изменениях концентрации метана (в пределах 0,5 - 1,65 ppm), и конечно требуется уточнение этих формул. Стоит заметить, что уже современная концентрация метана относительно высока - в результате поглощение в центре полос у атмосферного метана уже близко к насыщению, а при дальнейшем сильном увеличени концентрации метана дополнительное поглощение будет происходить уже только в крыльях линий, что ослабит зависимость роста радиационного форсинга от концентрации.

При всей кажущейся фантастичности цифр, следует заметить, что сходные, хотя и несколько менее экстремальные явления уже происходили в истории Земли. Палеоклиматические исследования последних лет (9) показывают, что примерно 55 млн. лет назад в течение нескольких тысячелетий произошло разложение около 1200 Гт метангидратов - это примерно те же 10% современных запасов (а в то время, по видимому, это были все имевшиеся запасы). В результате, в конце палеоцена температура поверхностных вод Мирового океана довольно резко поднялась на 8°С, а глубинных - на 5°С. Стоит заметить, что эффект этот довольно мал, по сравнению с приводимыми выше оценками, но следует учесть, во-впервых, что разложение, вызванное, как предполагается, поначалу тектонической активностью, шло медленно - порядка нескольких тысяч лет, и метан частью успевал выводится из атмосферы, общее накопление в метангидратах его было гораздо меньше чем сейчас (в относительно теплые эпохи могли накапливаться очень малые запасы метангидратов); во-вторых, слабее работала тогда такая сильная положительная обратная связь как потепление - концентрация углекислого газа, так как в связи с и без того высокой температурой океанических вод (примерно на 10 °С выше современной), растворено его было в океане заметно меньше, чем сейчас. Потому и не запустились остальные обратные связи, которые могли бы привести к высвобождению парниковых газов из остальных естественных резервуаров, и не продолжился рост температуры. В настоящее же время сложилась, по видимому, уникальная ситуация, как по количеству накопленных метангидратов, так и по скорости их возможного разрушения.

Как мы видим, эффект дополнительного потепления от включения обратных связей между потеплением и циклами обращения парниковых газов в системе атмосфера - гидро и литосфера, может быть весьма значительным, и сравним с антропогенным фактором, а то и быть заметно больше его, особенно учитывая совокупный эффект по различным рассмотренным выше парниковым газам. А значит, данное направление требует самого пристального углубленного изучения.

Ссылки:

1. Монин А.С., Шишков Ю.А. "Климат как проблема физики" // УФН, том 170, № 4, 2000 г.

2. Мелешко В.П., Катцов В.М, Спорышев П.В., Вавулин С.В., Говоркова В.А., "Изучение возможных изменений климата с помощью моделей общей циркуляции атмосферы и океана" // Изменения климата и их последствия.- Спб.: Наука, 2002.

3. Алексеев В.В., Киселева С.В., Чернова Н.И.. "Рост концентрации СО2 в атмосфере - всеобщее благо?" // Природа, № 9, 1999 г.

4. Путвинский С.В., "Возможна ли будущая мировая энергетическая система без ядерного синтеза" // УФН, № 11, 1998 г.

5. Заварзин Г. А. "Становление биосферы" // Вестник Российской Академии наук, том 71, № 11, с. 988-1001 (2001)

6. IPCC, "Climate change 2001: Synthesis report"

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

8. Christine Ecker, "Seismic Characterization Of Methane Hydrate Structures" // http://sepwww.stanford.edu/public/docs/sep96/paper_html/index.html

9. "Earth 's ancient heat wave gives a taste of things to come" // New Scientist, 07 December 2002

 


ПОИСК  На сайте В Яndex  

Copyright © Poteplenie.Ru, 2003