Викиди парникових газів

Вступ

В даний час дуже багато говорять про глобальне потепління клімату. Ми помічаємо, що в останні роки погода стала істотно змінюватися: тривала зима, пізня весна, холодне літо. Як же пояснюються ці змінами вченими кліматологами?

В даний час існує дві діаметрально протилежні точки зору. Прихильники першої точки зору стверджують, що в даний час відбувається глобальне потепління клімату. Одні дослідники вважають, що це відбувається внаслідок змін, що відбуваються в Космосі, інші – за рахунок зростання парникових газів. З питання причин зростання концентрації парникових газів також є розбіжності. Одні фахівці вважають, що в події, що катаклізмах природи винна людина, що забруднює навколишнє середовище парниковими газами: діоксидом азоту, метаном, фреонами, закисом азоту. Інші фахівці вважають, що зростання концентрації парникових газів відбувається за рахунок природних джерел – вулканів. І внесок антропогенного чинника дуже малий. Дійсно, згідно статистичних даних від антропогенних джерел викидається всього 3,5% діоксиду вуглецю від загальної кількості діоксиду вуглецю, що надходить у навколишнє середовище, а метану – 3,3%.

Друга точка зору полягає у твердженні, що в даний час людство знаходиться на початку чергового льодовикового періоду. І проблема глобального потепління є наукоподібним міфом. Зокрема такої точки зору дотримується відомий російський географ, професор А. П. Капіца. Він стверджує, що збільшення концентрації вуглекислого газу не передує глобальному потеплінню, а йде після нього.

Потепління клімату

Глобальне потепління (англ. Global warming) – прогресуюче поступове підвищення температури поверхні Землі, що пов'язується з парниковим ефектом і призводить до зміни клімату у глобальних масштабах. Однак слід зазначити, що достеменно причини глобального потепління невідомі. Також треба розуміти, що потепління це загальна усереднена тенденція, зміна температур відбувається нерівномірно в залежності від сезону та місцевості, більше того місцями в деякі сезони клімат навіть стає холоднішим. Наприклад в Україні температури у зимовий період зросли значно більше ніж в літній, а в центральній Росії (Московський регіон) при значному потеплінні взимку літні температури не змінилися, а осінні похолоднішали.

За останню сотню років середня температура повітря над сушею зросла, як стверджується, більш, ніж на 0,5°С. За даними доповіді Міжнародної групи експертів з питань зміни клімату це зростання складає за останні 100 років 0,74+/-0,18°C [1, 2].

Наукова думка, виражена Міждержавною групою експертів по зміні клімату (МГЕЗК) ООН, і безпосередньо підтримане національними академіями наук країн «Великої вісімки», полягає в тому, що середня температура по Землі піднялася на 0,7°C з часу початку промислової революції (з другої половини XVIII століття), і що «велика частка потепління, що спостерігалося в останні 50 років, викликана діяльністю людини» в першу чергу викидом газів, що викликають парниковий ефект, таких як вуглекислий газ (CO₂) і метан (CH₄). Оцінки, отримані по кліматичних моделях, на які посилається МГЕЗК, кажуть, що в XXI столітті середня температура поверхні Землі може підвищитися на величину від 1,1 до 6,4°C. В окремих регіонах температура може небагато знизитися (рис. 1, 2).

Рис. 1. Зміна середніх температур за періоди 1951 – 1980 та 2000 – 2009 рр. [14]

Рис. 2. Середньорічні температури за період 1860 – 2000 рр., в порівнянні з п‘ятилітнім трендом [14]

Крім підвищення рівня Світового океану підвищення глобальної температури також призведе до змін в кількості і розподілі атмосферних опадів. У результаті можуть почастішати природні катаклізми, такі як повені, посухи, урагани та інші, знизиться врожай сільськогосподарських культур на постраждалих територіях і підвищиться – в інших зонах (за рахунок збільшення концентрації вуглекислого газу). Потепління має, по всій вірогідності, збільшувати частоту і масштаб таких явищ.

Потепління клімату може призвести зміщення ареалів видів до полярних зон і збільшити ймовірність вимирання нечисленних видів – мешканців прибережних зон і островів, чиє існування в наш час знаходиться під загрозою.

Деякі дослідники вважають, що глобальне потепління – це міф, частина науковців відкидає можливість впливу людини на цей процес. Є ті, хто не заперечує факт потепління і допускає його антропогенний характер, але не погоджується з тим, що найнебезпечнішими з впливів на клімат є промислові викиди парникових газів.

Причини потепління

Існує науковий консенсус, що поточне глобальне потепління з високою ймовірністю пояснюється діяльністю людини. Кліматичні системи змінюються як в результаті природних внутрішніх процесів, так і у відповідь на зовнішні впливи, як антропогенні, так і не антропогенні, при цьому геологічні та палеонтологічні дані показують наявність довгострокових кліматичних циклів, які в четвертинному періоді прийняли форму періодичних зледенінь, причому нині доводиться на інтергляціал (рис. 3).

Рис. 3. Глобальні потепління (міжльодовикові періоди) за останні 500 тисяч років

Зміна рівня Світового океану.

Концентрація ізотопу O в морській воді.

Концентрація CO2 в антарктичному льоді [9].

Розподіл тимчасової шкали – 20 000 років. Піки рівня моря, концентрації CO₂ і мінімуми O збігаються з міжльодовиковими температурними максимумами.

Причини таких змін клімату залишаються невідомими, проте серед основних зовнішніх впливів зміни орбіти Землі (цикли Міланковича), сонячної активності (у тому числі і зміни сонячної постійної), вулканічні викиди і парниковий ефект. За даними прямих кліматичних спостережень (зміна температур протягом останніх 200 років) середні температури на Землі підвищилися, проте причини такого підвищення залишаються предметом дискусій, але однією з найбільш широко обговорюваних є антропогенний парниковий ефект. Не можна сказати, що йде суперечка між тими, хто «вірить» і «не вірить» в теорію парникового ефекту. Швидше, оспорюється підсумковий ефект збільшення кількості парникових газів в атмосфері Землі, тобто не компенсується потепління в силу парникового ефекту змінами у розподілі водяних парів, хмар, в біосфері або інших кліматичних чинників. Однак що спостерігається останні 50 років підвищення температури Землі суперечить теоріям про компенсуючої ролі перерахованих вище зворотних зв'язків [4].

Викиди парникових газів

Парниковий ефект був виявлений Жозефом Фур'є в 1824 і вперше був кількісно досліджений Сванте Арреніусом в 1896. Це процес, при якому поглинання і випускання інфрачервоного випромінювання атмосферними газами викликає нагрівання атмосфери і поверхні планети.

На Землі основними парниковими газами є: водяний пар (відповідальний приблизно за 36-70% парникового ефекту, без урахування хмар), вуглекислий газ (CO₂) (9-26%), метан (CHCO₄) (4-9%) і озон (О₃) (3-7%). Атмосферні концентрації CO₂ і CHCO₄ збільшилися на 31% і 149% відповідно в порівнянні з початком промислової революції в середині XVIII століття. Згідно з окремими дослідженнями, такі рівні концентрації досягнуті вперше за останні 650 тисяч років – період, для якого були отримані достовірні дані із зразків полярного льоду.

Близько половини всіх парникових газів, одержуваних у ході господарської діяльності людства, залишаються в атмосфері. Близько ¾ всіх антропогенних викидів парникових газів за останні 20 років стали результатом видобутку і спалювання нафти, природного газу і вугілля. Велика частина інших викидів викликана змінами ландшафту, в першу чергу вирубкою лісів (рис. 4).

На користь теорії антропогенного внеску в сучасне зміна клімату в результаті виділення парникових газів можуть свідчити і ті факти, що спостережуване потепління призводить насамперед до збільшення середніх температур у високих (приполярних) широтах, до підвищення середніх температур у зимовий період в середніх широтах і до зменшення нічного вихолоджування. А також є фактом те, що швидке нагрівання шарів тропосфери відбувається на фоні не дуже швидкого охолоджування шарів стратосфери [15].

Рис. 4. Виділення вуглецю в атмосферу в результаті діяльності людини з

1800 року по 2007 рік в мільярдах тонн [9].

Графік Кілінга описує зміни концентрації атмосферного вуглекислого газу з 1958 року. Названий по імені Чарльза Кілінга, під керівництвом якого були розпочаті безперервні вимірювання в обсерваторії на горі Мауна-Лоа (Гаваї). Дані спостереження стали першим науковим підтвердженням антропогенного внеску в сучасні зміни клімату. Вимірювання, зібрані в обсерваторії на Мауна-Лоа, показують стійке зростання середньої концентрації атмосферного CO₂ з 315 ppmv (0,0315%) в 1958 році до 385 ppmv (0,0385%) в червні 2008 року. [2, 8]

Парниковий ефект існує з тих пір, як на нашій планеті з’явилася атмосфера. Парниковий ефект сам по собі не є негативним явищем. Без парникового ефекту температура навколоземних шарів атмосфери була б в середньому на 30 градусів нижче від існуючої, а поверхня Землі була б лише – -18°С. А це означає відсутність умов для життя, бо вода на земній поверхні існувала б тільки у вигляді льоду (рис. 5, 6).

Рис. 5. Графік Кілінга: концентрація атмосферного CO₂, на основі спостережень в обсерваторії Мауна-Лоа (Mauna Loa Observatory), Гаваї [14]

Рис. 6. Концентрація СО₂ (вгорі) і метану (внизу) в атмосфері.

Червона лінія – без урахування сезонних коливань [14]

Діяльність людини

Люди своєю діяльністю посилюють парниковий ефект за рахунок викидів СО₂, СН₄, N₂O та інших газів. В останнє сторіччя в результаті людської діяльності вміст вуглекислоти в атмосфері виріс більш ніж на 1/4, метану – в 2,5 рази.

Протягом останніх 100 років внесок СО₂ в сумарні викиди становив приблизно 66%. Починаючи з вісімдесятих років, внесок вуглекислого газу в глобальне потепління став менш значним. З’явилися і нові речовини з парниковим ефектом – в першу чергу хлорфторвуглеці, в тому числі добре відомі фреони.

За останні 20 років внесок СО₂ в сумарні викиди парникових газів становить біля 50%, СН₄ - 18%, N₂O - 6%, хлорфторвуглеців - 14% від загального внеску в глобальне потепління.

Існують 6 основних парникових газів, які входять до хімічного складу атмосфери:

1) водяна пара;

2) вуглекислий газ;

3) метан;

4) озон;

5) закис азоту;

6) хлорфторвуглеці.

Крім них, всі інші парникові гази зустрічаються в природі.

Вуглекислий газ СО₂ – найзначніший з антропогенних парникових газів. Хоча цей газ природного походження, завдяки діяльності людини він утворюється у найбільшій кількості.

Індустріалізація призвела до збільшення використання видів палива, що видобувається з надр Землі: вугілля, нафта, газ (органічне паливо). При їхньому спалюванні у великій кількості викидається СО₂. Найбільші викиди вуглекислого газу відбуваються у транспорті та виробництві електроенергії та тепла. Інші джерела викидів СО₂:

хімічні промислові процеси;

лісове господарство та зміни в землекористуванні.

На Україні при видобуванні та спаленні органічного палива утворюється 95% всіх викидів СО₂. З промислових процессів найзначніший внесок у викиди СО₂ дає виробництво цементу.

Якщо подивитися на викиди СО₂ в світі, то найбільші кількості цього газу викидаються в розвинутих країнах: США, Японії, Канаді, країнах західної Європи: Німеччині, Англії, Італії, Росії.

Ліси, океани та грунти поглинають СО₂, утримаючи рівновагу між кількістю СО₂ в атмосфері та у воді і грунтах. Але людська діяльність приводить до негативного впливу на цю рівновагу.

Метан СН₄ виробляється у великих кількостях в результаті біологічних перетворень в природі. Оцінки обсягів щорічних природних джерел та стоків метану в світі складають приблизно 500 мільйонів тонн (рис. 7).

Рис. 7. Зміна атмосферної концентрації основних парникових газів – вуглекислого газу (CO₂), метану (CH₄) та закису азоту (N₂O) – в повітрі, що потрапило всередину льодовикових кернів, за 650 000 років.

Нижня крива відображає коливання вмісту дейтерію (δD) в антарктичному льоді, яке є непрямим показником локальної температури. Затінені смуги відповідають нинішньому та попереднім інтергляціал теплим періодами (Четверта оціночна доповідь МГЕЗК, 2007) [9]

Природними джерелами атмосферного метану є:

анаеробний розклад органічних речовин у біологічних системах (болота, тундра);

перетравлення термітами деревини шляхом розкладу целюлози в метан;

океани, моря та прісні водоймища.

Основними антропогенними джерелами викидів метану є:

вирощування рису на дуже зволожених землях;

кишкова ферментація тварин та розклад відходів тваринного походження;

розклад твердих міських відходів;

видобуток та транспортування вугілля, природного газу та нафти.

З даних 1990 року на Україні найбільший внесок у викиди метану вносить енергетика – біля 65%, також багато метану викидається при виробництві сільськогосподарської продукції та при утилізації відходів.

Метан – супутній продукт спалювання біомаси та неповного згорання палива.

Поглиначами метану є грунти та хімічні перетворення в атмосфері.

Природні джерела атмосферного закису азоту N₂O – океани, грунти тропічних та помірних широт, ліси та луки. Наприклад, вміст N₂O в грунтах є результатом життєдіяльності грунтових бактерій. Антропогенними джерелами емісії закису азота є:

1) сільськогосподарська обробка грунтів, особливо використання азотомістких добрив;

2) спалювання викопного природного палива;

3) виробництво адипінової (нейлонової) та азотної кислот;

4) спалювання біомаси.

За данними 1990 року, на Україні найбільший внесок в антропогенні викиди N₂O дає утилізація міських відходів – 43%. Також вагомі внески в викиди закису азоту дають хімічна промисловість та енергентика.

Найбільша концентрація озону О₃ у верхніх шарах атмосфери, де формується так званий озоновий шар. Заподіяні цьому шару ушкодження викликають занепокоєння. Озон є і парниковим газом. В нижні шари атмосфери (тропосферу) озон потрапляє в результаті хімічних перетворень кисню в присутності світла та деяких хімічних речовин, переважно антропогенного характеру. Завдяки складним хімічним реакціям в щільних шарах атмосфери деякі речовини, переважно створені людиною, з’єднуються і виникає озон.

Озон в тропосфері утворюється в результаті взаємодії сонячного світла з киснем та іншими атмосферними газами або з промисловими забруднюючими речовинами [3, 18].

Результати останніх досліджень підкріплюють теорію про те, що причиною глобального потепління є людська діяльність. Дослідження за участю вчених з Шотландії, Канади та Австралії показало, що ймовірність природних, а не антропогенних причин зміни клімату на планеті складає не більше 5%.

Згідно з тими ж дослідженнями, з 1980 року середня температура повітря на планеті піднялася на 0,5°С, і Земля продовжує нагріватися приблизно на 0,16°С за десятиліття (рис. 8).