Как работает глобальная парниковая система

Климат Земли определяется входящей энергией, поступающей от Солнца, исходящей энергией, излучаемой от Земли, и обменом энергии между атмосферой, сушей, океанами, ледниками и живыми существами. Состав атмосферы особенно важен, потому что некоторые газы и аэрозоли (крайне малые частицы) воздействуют на поток входящего солнечного и исходящего инфракрасного излучения. Водяной пар, СО₂, метан (СН₄), озон (О₃) и закись азота (N₂O) — всё это парниковые газы (ПГ), естественным образом присутствующие в атмосфере.

Важность атмосферных газов и примесей, с точки зрения климатообразования, определяется их оптической активностью, влияющей на формирование радиационно-теплового баланса системы Земля-атмосфера. Атмосферные компоненты способны поглощать, рассеивать и отражать обратно в космос приходящую коротковолновую солнечную радиацию, а также задерживать уходящее от земной поверхности тепловое длинноволновое излучение, создавая парниковый эффект. Суть проблемы заключается в том, что возможно возникновение условий, когда энергия уходящего излучения меньше поступающего. Даже небольшая разница может привести со временем к перегреву планеты.

Электоронные оболочки атомов и молекул поглощают только определенные длинны волн, что используется в лабораторной технике (фотоэлектроколониметры, абсорбциометры) для оценки их присутствия. Чем боьше вещества содержится, тем выше поглощение света в некоторых областях спектра. Атмосферу можно представить как фильтр, отсекающей часть излучения до того как оно попадет на поверхность. В диапазоне от 0,300 до 0,700 мкм, т.е. в большей части видимого диапазона солнечного спектра, поглощение солнечной радиации минимально. Именно на этот интервал приходится около 40% интенсивности излучения солнечного спектра.

Солнечная радиация с длинами волн менее 0,100 мкм поглощается молекулярными кислородом О₂ и азотом N₂, и не проникает в атмосферу ниже уровня 100 км. Кроме этого, О₂ имеет активные полосы поглощения в диапазоне 0,100-0,175 мкм (континуум Шумана-Рунге) и в диапазоне от 0,175 до 0,200 мкм (полосы Шумана-Рунге). Волны длиной 0,200-0,245 мкм поглощаются в стратосфере в основном О₂ (континуум Герцберга).

Озон защищает биосферу задерживая жесткое ультрафиолетовое ЭМП излучение. Максимум полосы поглощения озона находится в диапазоне — 0,2553 мкм (полоса Хартли). В коротковолновой части солнечного спектра поглощение на участках с длинами волн менее 0,290 мкм происходит в основном за счет озона. Кроме того, полосы поглощения озона лежат в диапазоне 0,440-0,700 мкм.

В красном диапазоне длин волн (свыше 0,72 мкм) начинаются многочисленные полосы поглощения водяного пара с центрами полос 0,72; 0,84; 0,94; 1,14; 1,38; 1,87; 2,70; 3,20 мкм. Углекислый газ, как и водяной пар, поглощает в длинноволновой части солнечного спектра с центрами полос поглощения на длинах волн 1,44; 1,60; 2,02; 2,70 и 4,31 мкм.

Уходящая от поверхности и нижних слоев атмосферы длинноволновая радиация приходится на так называемое "окно прозрачности" Земли, находящееся в диапазоне длин волн 8-12 мкм. В этом "окне" практически отсутствуют полосы поглощения водяного пара. Здесь же, в соответствии с функцией Планка для излучения абсолютно черного тела, при типичных для атмосферы температурах максимальна интенсивность уходящего излучения (80%). Именно в этом диапазоне минимально его поглощение в атмосфере. Тем чувствительнее поток уходящего излучения к изменению концентрации газов, поглощающих в этом "окне прозрачности" и, таким образом, уменьшающих выхолаживание нижней атмосферы и подстилающей поверхности. В этом диапазоне лежат полосы поглощения малых газовых составляющих, таких, как СО₂, О₃, СН₄, N₂O, а также фреонов. Сравнительно небольшие изменения в концентрации этих газов могут значительно влиять на интенсивность потока уходящей длинноволновой радиации. Например, удвоение концентрации СО₂ может привести к усилению парникового эффекта на 10-20% [IPCC, 1996]. Центр полосы максимального поглощения СО₂ в диапазоне уходящего земного излучения лежит около 15 мкм. Континуум поглощения СО₂ распространяется и на более длинные волны. Водяной пар поглощает уходящую радиацию наиболее активно в спектральных интервалах 5,5-7,0 и более 17 мкм.

ПГ нагревают поверхность Земли, мешая выделению инфракрасной (тепловой) энергии в космос. Эффект потепления, создаваемый естественными уровнями этих газов, - это «естественный парниковый эффект». Этот эффект нагревает температуру в мире примерно на 33°С выше уровня, который существовал бы без него, поддерживает большую часть мировых вод в жидком состоянии.

Газы, выделяемые в результате человеческой деятельности, сильно увеличили естественный парниковый эффект. Среднемировая концентрация атмосферного СО₂ значительно возросла со времени начала Промышленной революции, особенно за последние 50 лет. На протяжении XX века содержание диоксида углерода увеличилось приблизительно с 280 до 387 ррт, почти на 40 процентов в основном за счет сжигания ископаемого топлива на углеродной основе и, в меньшей степени, в результате обезлесения и изменений в землепользовании.

Рисунок 2 Естественные и антропогенные состовляющие углеродного цикла.

Источники: Fischlin and others 2007; IPCC 2000; IPCC 2001; Canadell and others 2007; Houghton 2003; Prentice and others 2001; Sabine and others 2004.

Атмосферная концентрация СО₂ ныне возрастает со скоростью около 2 ррт в год, что эквивалентно увеличению углеродной нагрузки атмосферы примерно на 4 гигатонны углерода в год (иными словами, около половины выбросов углерода от ископаемого топлива ведут к долговременному увеличению атмосферной концентрации). Остальные выбросы СО₂ улавливаются «поглотителями углерода» — океаном и наземными экосистемами. Океаны улавливают около 2 гигатонн углерода в год (разница между 90,6 и 92,2, указанная на рис., плюс небольшой переток с суши в океан). С учетом чистого поглощения углерода океанами и наземными системами (фотосинтез минус дыхание) и оце­ночных показателей выбросов в результате изменений в землепользовании и сжигания ископаемого топлива, атмосферная концен­трация может превысить прогнозные показатели. По всей видимости, в настоящее время наземные экосистемы улавливают излишек углерода. Предполагается, что так называемый «остаточный сток» в размере 2,7 гигатонны происходит главным образом по причине изменений почвенного покрова (чистое увеличение лесного массива в силу лесовозобновления и облесения, превышающего обезлесение) и усиленного улавливания углерода ввиду повышенного роста мировых лесов в ответ на более высокую концентрацию СО₂ (известного как эффект фертилизации СО₂).

Наземные экосистемы удерживают около 2300 гигатонн углерода — приблизительно 500 гигатонн в надземной биомассе и примерно в три раза больше этого количества в почвах. Снижение обезлесения должно стать важным компонентом замедления роста выбросов. В то время как необходимо будет всемерно повышать объем хранения углерода в земле, возникнут трудности по мере усиления изменений климата, более частых пожа-

Рисунок 3 — Сравнение воздействия естественных и антропогенных факторов на баланс энергии на Земле (ваттах на квадратный метр)

Обозначения: оранжевые столбики — увеличение энергии, синие — снижение (Изм. клим., 2009)

Рисунок 4 — Отклонение среднегодовой температуры °С от среднего значения за период 1901 – 2000 гг в сравнении с изменением концентрации СО2 (ppt)

обозначения: красное — выше среднего, синее — ниже среднего

Одной только нынешней повышенной концентрации парниковых газов достаточно для того, чтобы создать условия для установления в мире уровня потепления на 2°С выше уровня, за которым мир могут ожидать весьма разрушительные и даже «опасные» последствия. Колебания температуры от года к год происходят за счет, таких как глобальные океано-атмосферных явлений «Эль Ниньо», «Ла Нинья», а также извержений вулканов и подобных им.