Потепление климата – каким оно будет?

Часть 1. Общие сведения о факторах формирования температурного режима Земли.

Подробнее о водяном паре, углекислом газе и метане. Природные резервуары парниковых газов и первое представление об обратных связях между потеплением и содержанием парниковых газов в атмосфере.

Рассмотрим подробнее несколько наиболее важных, на наш взгляд, парниковых газов.

Надо понять, как в дальнейшем может меняться содержание этих газов в атмосфере, какие факторы на это влияют, каковы пути поступления этих газов в атмосферу и вывода из нее, а также каковы природные резервуары этих парниковых газов. В первую очередь нас будут интересовать водяной пар, углекислый газ и метан. Это связано с тем, что в результате действия некоторых сильных обратных связей, при относительно небольшом изменении температуры, поступление в атмосферу этих газов может существенно измениться. Другие же парниковые газы (закись азота, озон, фреоны) либо не обладают  значимыми обратными связями, способными серьезно изменить их содержание в атмосфере при потеплении, либо же вообще являются сугубо искусственым продуктом и их поступление в атмосферу четко лимитировано человеческой деятельностью, и ожидать очень сильного увеличения их содержания в атмосфере не приходится.

***

Как уже говорилось, водяной пар – самый главный на сегодня парниковый газ. Однако водяной пар участвует и во множестве других процессов, что делает его роль далеко неоднозначной в разных условиях.

Прежде всего, при испарении с поверхности Земли и дальнейшей конденсации в атмосфере, в нижние слои атмосферы (тропосферу) благодаря конвекции переносится до 40% от всего тепла, поступающего в атмосферу. Таким образом, водяной пар при испарении несколько понижает температуру поверхности. Но выделившееся в результате конденсации в атмосфере тепло идет на ее разогрев, и в дальнейшем, на разогрев и самой поверхности Земли.

Но после конденсации водяного пара образуются водяные капельки либо кристаллики льда, которые интенсивно участвуют в процессах рассеяния солнечного света, отражая часть солнечной энергии назад в космос. Облака, как раз представляющие из себя скопления этих капелек и кристалликов, увеличивают долю солнечной энергии (альбедо), отражаемой самой атмосферой обратно в космос (а дальше осадки из облаков могут выпасть в виде снега, увеличивая альбедо поверхности).

Фактически, сконденсированный в капельки либо кристаллики льда водяной пар, тоже является одним из аэрозолей, общие свойства которых были рассмотрены выше. Однако у водяного пара, даже сконденсированного в капельки и кристалики, все равно остаются мощные полосы поглощения в инфракрасной области спектра, а значит роль тех же облаков далеко не однозначна. Двойственность эта особенно заметна в следующих крайних случаях - при покрытии облаками неба в солнечную летнюю погоду температура на поверхности снижается, а если то же самое происходит зимней ночью, то наоборот, повышается. На окончательный результат влияет и положение облаков – на низких высотах мощная облачность отражает много солнечной энергии, и баланс может быть в данном случае в пользу антипарникового эффекта, а вот на больших высотах, разреженные перистые облака пропускают довольно много солнечной энергии вниз, но даже разреженные облака являются почти непреодолиммы препятствием для инфракрасного излученияи, и тут можно говорить о преобладании парникового эффекта.

Еще одна особенность водяного пара – влажная атмосфера в некоторой степени способствует связыванию другого парникового газа – углекислого, и переносу его дождевыми осадками к поверхности Земли, где он в результате дальнейших процессов может быть израсходован в процессах образования карбонатов и горючих полезных ископаемых.

Человеческая деятельность очень слабо непосредственно влияет на содержание водяного пара в атмосфере – только лишь за счет роста площади орошаемых земель, изменения площади болот и работы энергетики, что на фоне испарения со всей водной поверхности Земли и вулканической деятельности ничтожно мало. Из-за этого довольно часто на нем мало акцентируется внимание при рассмотрении проблемы парникового эффекта.

Однако косвенное влияние на содержание водяного пара может быть очень велико, за счет обратных связей  между содержанием водяного пара в атмосфере и потеплением, вызванном другими парниковыми газами, что мы сейчас и рассмотрим.

Известно, что при увеличении температуры увеличивается и испарение водяного пара, и на каждые 10 °С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается. Например, при 0 °С давление насыщенного пара составляет около 6 мб, при +10 °С – 12 мб, а при +20 °С – 23 мб.

Видно, что содержание водяного пара сильно зависит от температуры, и при понижении ее по каким-либо причинам, во-первых, понижается сам парниковый эффект водяного пара (благодаря уменьшившемуся содержанию), а во-вторых, происходит конденсация водяного пара, которая конечно, сильно тормозит понижение температуры за счет выделения конденсационного тепла, но зато уже после конденсации увеличивается отражение солнечной энергии, как самой атмосферы (рассеяние на капельках и кристаллах льда), так и поверхности (выпадение снега), что дополнительно понижает температуру.

А при повышении температуры содержание водяного пара в атмосфере растет, его парниковый эффект увеличивается, что усиливает первоначальное повышение температуры. В принципе, растет и облачность (больше водяного пара попадает в относительно холодные области), однако крайне слабо – по данным И. Мохова порядка 0,4% на градус потепления, что не может сильно повлиять на рост отражения солнечной энергии.

***

В отличии от водяного пара, углекислый газ, второй по вкладу в парниковый эффект на сегодня, не вымораживается при понижении температуры, и продолжает создавать парниковый эффект даже при самых низких температурах, возможных в земных условиях.  Вероятно, именно благодаря постепенному  накоплению углекислого газа в атмосфере вследствии вулканической деятельности, Земля смогла выйти из состояния мощнейших оледенений (когда даже на экватор был покрыт мощнейшим слоем льда), в которые она попадала в начале и конце протерозоя. Но об этом мы поговорим ниже.

Углекислый газ вовлечен в мощный круговорот углерода в системе литосфера-гидросфера-атмосфера, и изменение земного климата связывают прежде всего с изменением баланса его поступления в атмосферу и выведения из нее.

Благодаря относительно высокой растворимости углекислого газа в воде, содержание углекислого газа в гидросфере (прежде всего океаны) сейчас составляет 4х104 Гт (гигатонн) углерода (отсюда и далее приводятся данные по СО2 в пересчете на углерод), включая глубинные слои (7). В атмосфере в настоящее время содержится около 7,5х102 Гт углерода (8). Небольшим содержание СО2 в атмосфере было далеко не всегда – так в архее (около 3,5 млрд. лет назад) атмосфера состояла почти на 85-90% из углекислого газа, при существенно большем давлении и температуре (9). Однако поступление значительных масс воды на поверхность Земли в результате дегазации недр, а также возникновение жизни обеспечило связывание почти всего атмосферного и значительной части растворенного в воде углекислого газа в виде карбонатов (в литосфере хранится около 5,5х107 Гт углерода (10)). Также углекислый газ стал преобразовываться живыми организмами в различные формы горючих полезных ископаемых. Кроме того, связывание части углекислого газа произошло и за счет накопления биомассы, общие запасы углерода в которой сравнимы с запасами в атмосфере, а учитывая еще и почвы – превышает в несколько раз.

Однако, нас прежде всего интересуют потоки, обеспечивающие поступление углекислого газа в атмосферу, и выводящие его из нее. Литосфера сейчас обеспечивает весьма небольшой поток углекислого газа, поступающего в атмосферу прежде всего благодаря вулканической деятельности – около 0.1 Гт углерода в год (7). Значительно большие потоки наблюдаются в системах океан (вместе с обитающими там организмами) – атмосфера, и наземная биота – атмосфера. В океан ежегодно поступает из атмосферы около 92 Гт углерода и 90 Гт возвращается обратно в атмосферу (7). Таким образом, океаном ежегодно дополнительно изымается  из атмосферы около 2 Гт углерода. В то же время в процессах дыхания и разложения наземных умерших живых существ в атмосферу поступает около 100 Гт углерода в год. В процессах фотосинтеза наземной растительностью изымается из атмосферы тоже около 100 Гт углерода (7). Как мы видим, механизм поступления и изъятия углерода из атмосферы достаточно сбалансирован, обеспечивая приблизительно равные потоки. Современная жизнедеятельность человека включает в этот механизм все увеличивающийся дополнительный поток углерода в атмосферу за счет сжигания горючих ископаемых (нефть, газ, уголь и пр.) – по данным, например, за период 1989-99 гг., в среднем около 6,3 Гт в год (10).  Также поток углерода в атмосферу увеличивается и за счет вырубки и частичного сжигания лесов - до 1,7 Гт в год (10), при этом прирост биомассы, способствующий поглощению СО2 составляет всего около 0,2 Гт в год вместо почти 2 Гт в год. Даже учитывая возможность поглощения около 2 Гт дополнительного углерода океаном, все равно остается довольно значимый дополнительный поток (к настоящему времени около 6 Гт в год), увеличивающий содержание углекислого газа в атмосфере. Кроме того, поглощение углекислого газа оканом уже в ближайшем будущем может уменьшится, и даже возможен обратный процесс – выделение углекислого газа из Мирового океана. Это связано с понижением растворимости углекислого газа при повышении температуры воды – так, например, при повышении температуры воды всего с 5 до 10 °С, коэффициент растворимости углекислого газа в ней уменьшается приблизительно с 1,4 до 1,2.

***

Итак, поток углекислого газа в атмосферу, вызываемый хозяйственной деятельностью не велик по сравнению с некоторыми естественными потоками, однако его нескоменсированность приводит к постепенному накоплению СО2 в атмосфере, что разрушает баланс поступления и изъятия СО2, складывавшийся за миллиарды лет эволюции Земли и жизни на ней. Подробно о становлении круговорота углерода на Земле и о его некоторой, на самом деле, незамкнутости, мы поговорим ниже.

Однако, надо еще рассмотреть поступление в атмосферу и вывод из нее метана – этот парниковый газ обладает способностью значительно сильнее поглощать инфракрасное излучение земной поверхности  чем углекислый газ (той же массы), его содержание быстро растет, и этот рост может еще значительно ускорится. Так что на метан стоит обратить самое пристальное внимание.

Содержание метана в атмосфере с начала индустриальной эры выросло на 150%, как упоминалось выше. В настоящее время его содержание в атмосфере составляет около 5 Гт, причем это содержание является рекордным как минимум за последние 140 тысяч лет (11). По некоторым сценариям, разработанным экпертами МГЭИК, к 2100 году антропогенные выбросы увеличат содержание метана в атмосфере вдвое (5), однако в этих прогнозах не учитывается действия обратных связей в климатической системе, способных увеличить содержание метана в атмосфере несравненно выше (об этом мы поговорим потом).

Время жизни метана, поступающего  в атмосферу, порядка 8-12 лет, и выводится он из атмосферы в основном путем реакции с радикалом ОН (11), образующимся в атмосфере в результате фотохимических реакций озона. Причем в результате цепочки реакций на выходе получается и углекислый газ. Кроме указанного способа, еще небольшой (несколько процентов) вклад в вывод метана из атмосферы дает и поглощение его почвенными бактериями (11).

Оценка потоков метана из антропогенных и некоторых естественных источников составляет в общем около 0,48 Гт/год (11). К этим источникам относят болота (0,05-0,07 Гт/год), насекомых, прежде всего термитов (0,02 Гт/год), рисовые поля (0,12 Гт/год), домашних животных, прежде всего жвачных (0,08 Гт/год), а также свалки (0,05 Гт/год). Включают также выделение метана при добыче угля (0,035 Гт/год) и потери при добыче газа (0,034 Гт/год), а также некоторые другие источники.

Ранее считалось, что поток метана из недр Земли невелик, и его практически не учитывали, однако некоторые современные оценки поступления метана от дегазации недр, основанные на анализе содержания различных изотопов углерода, входящего в состав метана, дают уже весьма значимые цифры около 0,2 Гт в год, и даже более (12).

Поток метана в атмосферу может значительно увеличится при разрушении под действием происходящего потепления климата так называемых метангидратов, обнаруженых в последние десятилетия в вечной мерзлоте и в глубинах Мирового океана. Метангидраты – это фактически тот же лед, в котором в каркасах молекул воды за счет действия ван-дер-ваальсовских сил присутствуют еще молекулы метана (химическое взаимодействие отсутствует). Значительная часть метангидратов находится в метастабильном состоянии и подвергаются опасности разложения при небольшом повышении температуры (порядка одного-нескольких градусов) (13). Запасы метана в метангидратах просто огромны - около 1019 г (12), т.е.104 Гт, что во много раз больше известных запасов его в залежах, а также угольных пластах, и в две тысячи раз превышает его содержание в атмосфере сегодня. Так что, высвобождение всего этого метана (даже не единовременное) способно очень сильно поднять температуру на поверхности Земли.

Кроме того, потепление ускоряет скорость микробиологических процессов, а в их ходе также выделяется метан. Рост выделения метана составляет приблизительно 10% на градус потепления (в данной местности), что особенно важно при оценке потоков метана из болот и рисовых полей.

Итак, как мы видим, содержание парниковых газов в атмосфере может менятся, как непосредственно от человеческой деятельности, так и в силу положительных обратных связей между повышением температуры и выделением этих газов из своих природных резервуаров. Однако перед тем, как оценить последствия от происходящего изменения содержания парниковых газов в атмосфере, представить будущее изменение климата, стоит рассмотреть, как менялся климат на поверхности Земли в прошлом, и какова была роль парниковых газов при этом.

Продолжение...
Вернуться к оглавлению...


ПОИСК  На сайте В Яndex  
Copyright © Poteplenie.Ru, 2003