Жизнь в парнике

Если вы любите искать виноватых, то можете считать ими англичан. Это ведь у них в середине XVIII века началась индустриальная революция. Через сто лет она охватила уже всю Западную Европу, Северную Америку и докатилась до Японии.

Парниковый эффект

Если вы любите искать виноватых, то можете считать ими англичан. Это ведь у них в середине XVIII века началась индустриальная революция. Через сто лет она охватила уже всю Западную Европу, Северную Америку и докатилась до Японии. На фабриках без устали стучали ткацкие станки, доменные печи изрыгали потоки металла, пыхтели паровозы, перетаскивая вагоны с людьми и грузами, а моря бороздили не романтичные парусники, а дымящие пароходы.

Все необходимые человеку вещи начали производить машины. Мускульной силы людей и животных стало недостаточно – и энергию, приводившую машины в движение, начали брать у Земли. Сначала жгли древесину и уголь, потом перешли на нефть и газ. Кому бы на заре промышленной революции пришло в голову, что используя в таком количестве горючие вещества, человек выпускает джинна из бутылки? Теперь, в начале XXI века, этот джинн по имени углекислый газ – CO2 – грозит глобальными изменениями условий жизни.

В 1824 году французский математик Жан-Батист Фурье понял, что атмосфера задержи вает тепловое излучение Земли. Уче ный сравнил этот эффект с дейст вием стеклянных стенок теплицы.

В конце XIX века швед Сванте Аррениус открыл, что этот эффект обусловлен наличием в атмосфере некоторых газов – в том числе углекислого. Аррениус рассчитал, что если бы содержание CO2 в атмосфере увеличилось вдвое, это повысило бы температуру на 4–6°С.

Поначалу все это выглядело чистой теорией, играми разума, ведь выбросы углекислого газа в атмо сферу были относительно невелики. Стремительно расти они стали со второй половины XX столетия.

Впервые это доказал американский климатолог Чарлз Дэвид Килинг. В 1957 году он установил, что доля CO2 в атмосфере составляла 315 ppm (частей на миллион, то есть в миллионе литров воздуха содержится 315 литров углекислого газа), тогда как в XIX веке этот показатель равнялся 280 ppm. Получалось, что примерно за сто лет содержание углекислого газа в атмосфере выросло на 12%.

Измерения Килинга показали: в эпоху активной индустриализации концентрация CO2 постоянно росла на 1,5 ppm в год. Углекислый газ попадал в атмосферу как продукт сжигания нефти, газа и угля. Деятельность людей изменяла состав атмосферы.

С увеличением содержания CO2 усиливается так называемый парниковый эффект. Его механизм известен любому владельцу теп лицы: солнечные лучи, проникая через стеклянные окна, нагревают поч ву. Она отдает тепло назад в воздух. Однако стекла «консервируют» это излучение – оно остается в парнике в виде тепла.

Вот и углекислый газ почти беспрепятственно пропускает видимый солнечный свет (в результате чего нагревается суша и водоемы) – однако поглощает часть поступающего от земли теплового излучения, не давая ему рассеяться в космическом пространстве. Затем молекулы CO2 передают поглощенную энергию соседним молекулам и таким образом нагревают окружающий воздух. Именно углекислый газ – и еще некоторые газы – подобно стеклам парника не дают нашей планете остыть.

Сам по себе парниковый эффект жизненно важен для человека, животных и растений. Без него Земля давно превратилась бы в ледяную пустыню?– со средней температурой –18°С. Другой вопрос – количество углекислого газа в земной атмосфере. Все последнее тысячелетие оно оставалось относительно постоянным – об этом свидетельствуют пробы, взятые в гренландских вечных льдах. Однако к настоящему времени доля CO2 значительно увеличилась – сегодня это уже более 380 ppm. Всего полвека назад было 315 ppm…

То, что концентрация углекислого газа в атмосфере стремительно увеличивается, не отрицают даже противники теории парникового эффекта. Они не согласны лишь с тем, что это привело к повышению средней температуры на планете. Главный аргумент скептиков таков: некоторое увеличение глобальной температуры имело мес то и в первой половине XX века – до того, как человечество начало выбрасывать в атмосферу небывалые дотоле количества углекислого газа. Объяснялось тогдашнее потепление, по их мнению, колебаниями интенсивности солнечной активности.

Экология

Однако метеорологи уже давно учитывают естественные изменения солнечного излучения. Компью терные модели климата показывают: главный фактор повышения температуры – увеличение объемов углекислого газа в атмосфере.

Анализ огромного количества локальных измерений климатических параметров за последние 100 лет также говорит в пользу связи между количеством CO2 в воздухе и потеплением. Средняя температура нашей планеты за это время увеличилась на 0,8°С – до 14,5°С.

Долгое время нагревательный эффект сдерживался. Промышленные выбросы содержали не только CO2, но и большие объемы сульфатов – соединений серы. Попадая в атмосфе ру, они превращаются в аэрозольные сульфатные частицы, которые отражают солнечные лучи и таким образом препятствуют нагреванию земной поверхности. С конца 1970-х годов промышленно развитые страны Запада сократили выбросы в атмо сферу соединений серы, но в Азии этот показатель вырос. Поэтому до конца прошлого тысячелетия – средняя концентрация сульфатов оставалась более или менее постоянной – в то время как количество CO2 в воздухе ежегодно увеличивалось на 1,5 ppm.

Темп этих перемен таков, что парниковый эффект грозит окончательно выйти из-под контроля. Если на протяжении всего ХХ века глобальная температура выросла на 0,8°С, то из них 0,6°С пришлись на последние 30 лет.

Уже не приходится сомневаться в том, что Земля нагревается и мы имеем дело с устойчивой тенденцией. К концу XXI века глобальная средняя температура повысится на 2–4,5°С (насколько именно, зависит от объемов выброса CO2). Таков прогноз IPCC – Международной комиссии ООН по проблемам климата.

Рост глобальной температуры наиболее заметен в областях, покрытых вечными льдами. По сравнению с началом ХХ века альпийские высокогорные ледники сократились почти наполовину. А в Гренландии материковые льды тают сейчас в три раза быстрее, чем даже на рубеже прошлого и этого тысячелетий: с апреля 2002-го около 240 куб. км льда в год навсегда превращаются в воду, неуклонно повышая уровень Мирового океана.

Уменьшается и зона вечной мерзлоты в Сибири, Канаде и на Аляске. Именно там залегают огромные резервуары метана. Этот газ глубоко под землей образовал соединение с водой – метангидрат, метановый лед. Дальнейшее потепление грозит его таянием и высвобождением в атмо сферу невероятного количества метана. В качестве парникового газа метан, кстати, в 20 раз более эффективен, чем CO2.

Рост населения Земли и связанный с ним рост сельскохозяйственного производства уже привели к тому, что в атмосферу попадает слишком много метана. Микробы вырабатывают этот газ и в желудках коров, и на влажных рисовых полях. По оценкам экспертов, антропогенные (возникающие под воздействием человеческого фактора) выбросы метана в последние десятилетия стремительно растут. По сравнению с доиндустриальной эпохой содержание этого газа в атмосфере почти удвоилось – до 1,75 ppm.

Но список климатически активных (парниковых) газов этим не исчерпывается. Например, есть еще закись азота. Это соединение, более известное как веселящий газ, выделяется при сжигании нефтепродуктов, газа, угля или биомассы – в частности при выжигании участков леса. Упомянем еще фтор- и хлорсодержащие углеводороды, которые десятилетиями использовались как фреоны в холодильных системах.

Дополнительным фактором, влияющим на климат, являются аэрозольные частицы. Их влияние может быть противоположным по эффекту. Так, частицы сажи, появляющиеся в результате неполного сгорания и составляющие около 10% всех антропогенных аэрозольных частиц, поглощают часть солнечных лучей и превращают их в тепло – а значит усиливают парниковый эффект.

Сульфатные аэрозольные частицы – продукт горения серы – наоборот тормозят парниковый эффект. Они «отбрасывают» тепло, которое несут солнечные лучи, назад в космос, не позволяя ему достичь почвы. Кроме того, сульфатные частицы образуют так называемые ядра конденсации, служащие зародышами капель воды. Это способствует возникновению облаков, которые, в свою очередь, отражают солнечный свет. (Об аэрозольных частицах и образовании облаков мы писали в GEO No 4 / 2007.)

Повседневная деятельность человека – промышленная и бытовая – не только меняет физико-химический состав воздушной оболочки Земли. Все увеличивающаяся выработка углекислого газа серьезно воздействует на мир животных и растений.

Углерод, составная часть углекислого газа – важнейший строительный материал жизни. Все основные молекулы, участвующие в биохимических процессах живых организмов – от растений до людей, – представляют собой соединения углерода.

Растения вырабатывают их с помощью энергии солнечного света при фотосинтезе и таким образом строят свои клетки. Для этого они поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород. Но если для растений углекислый газ является питательным веществом, как они будут реагировать на его избыток?

Ответить на этот вопрос экспериментально пытаются специалисты исследовательской группы под руководством Кристиана Кернера из Института ботаники Базельского университета. На опытных участках углекислый газ по шлангам подается в кроны деревьев, имитируя будущее увеличение содержания CO2 в атмосфере, а швейцарские ученые ведут наблюдение за долговременной реакцией растений.

Результаты многолетних экспериментов показали: при избытке углекислого газа листья деревьев начинают поглощать его больше. Но при этом деревья не используют его для собственного развития, а просто «прогоняют сквозь себя», снова выделяя через корни. Надежды некоторых ученых на то, что повышенное содержание CO2 в атмосфере поможет рос ту лесов на Земле, кажутся слишком радужными. В любом случае, нам пока неясно, как отреагируют на рост его концентрации экосистемы.

А что если закачивать углекислый газ в теплицы, как предлагают некоторые энтузиасты? Пока швейцарцы заметили, что чем больше углекислого газа получают растения, тем меньше в листьях и семенах белка и тем больше углеводов. Зерно теряет питательную ценность. Если давать такой корм животным, им придется съедать его в среднем на 20% больше, чем раньше, чтобы получать привычное количество протеинов и минералов.

И все же Кристиан Кернер считает, что углекислый газ при определенных условиях можно использовать в сельском хозяйстве в качестве удоб рения. Что касается естественной природной среды, то швейцарский ботаник полагает: по всему миру будет происходить обеднение флоры.

Содержание CO2 в воздухе растет слишком быстро – не все растения успеют к этому приспособиться. И хотя какие-то виды окажутся в выигрыше, пока их список не слишком впечатляет. Например, американский ядовитый сумах или осоковые, растущие на лугах Центральной Европы, при увеличении концентрации CO2 начнут агрессивно распространяться, вытесняя другие виды.

Рост содержания CO2 воздействует на растения, но и те в свою очередь влияют на состав атмосферы. Некоторую часть промышленных выбросов углекислого газа растительный мир поглощает.

В естественном круговороте органический мир производит углекислый газ в гигантских количествах, но при этом столько же его поглощает. За год земные и морские экосистемы перерабатывают около 200 млрд тонн углерода. Растения используют то количество углекислого газа, которое выдыхают живые существа. Вот почему в природе накопления избытка CO2 не происходит.

Но есть еще человечество. Сжигая природные энергоносители, мы год за годом выбрасываем в атмосферу по 6,3 млрд тонн углерода сверх нормы. Это количество весьма точно определяется по данным добычи нефти, угля и газа. Еще 2,2 млрд тонн CO2 дает выжигание лесов под пахотные земли.

Из этих 8,5 млрд тонн «ненужного» природе углерода 3,2 млрд тонн скапливаются в атмосфере, еще 2 млрд тонн поглощает Мировой океан. Куда же девается остальное? Как считают ученые, 3 с лишним млрд тонн как раз и перерабатываются растениями – накапливаются в древесине и гумусе почвы. Грехи цивилизации искупают в основном леса!

О лесах и оке ане в роли «кладовых углерода» мы знаем немного. Но исследования уже начаты. Кстати, ученые Йенского института биогеохимии имени Макса Планка, пытаясь точно измерить углеродный баланс лиственного леса (сколько углекислого газа поглощается, сколько выделяется и сколько накапливается) пришли к любопытному выводу. Выяснилось, что дикий лес поглощает гораздо больше CO2, чем ухоженный городской лесопарк. А ведь мертвых деревьев в диком лесу гораздо больше. Может быть, дело в разнооб разии видов?

Сейчас самые перспективные природные «накопители» расположены в основном в северном полушарии. Это в первую очередь сибирская тайга, смешанные и хвойные леса Канады и США. Одно время большую часть антропогенных выбросов поглощали огромные дождевые леса, например, в Амазонии. Однако их активная вырубка и выжигание высвобождает так много углекислого газа, что это нейтрализует эффект потребления CO2 бурной тропичес кой растительностью.

И все же нам следует понимать: даже если часть производимого человечеством CO2 и увеличит земную биомассу, а не рассеется в атмосфере, это не решит проблемы парникового эффекта. Рост антропогенных выбросов углекислого газа неизбежно опередит распространение растительного покрова.

А что же занимающий большую часть поверхности планеты Мировой океан? Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории в США считают, что с ростом содержания СО2 в атмосфере океан все больше «закисает» – за счет того, что поглощенный водой газ превращается в угольную кислоту. Если выбросы не сократятся, говорят ученые, это создаст серьезную угрозу жизни морских организмов, прежде всего, коралловых рифов.

Удастся ли вообще решить проблему CO2? этот вопрос пока остается открытым. Но что-то делать определенно надо. Важной вехой на этом пути стало принятие в 1997 году Киотского протокола. Подписав его, основные индустриальные державы (за исключением США и Австралии) взяли на себя обязательство уменьшить выбросы углекислого газа до 2012 года на 5,2% (по сравнению с 1990 годом). Будет ли эта цель достигнута?

Сейчас 56% всего углекислого газа, который люди когда-либо произвели из добытых ископаемых, все еще остается в земной атмосфере. Даже при полном прекращении выбросов потребовалось бы еще несколько десятилетий, прежде чем удастся вернуть содержание CO2 на уровень доиндустриальной эпохи. Но всемирный мораторий на выбросы CO2 пока выглядит утопией, если учесть стремительное развитие Индии и Китая и недостаточное осознание проблемы республиканской администрацией США – мирового рекордсмена по выбросу CO2.

Возникают технические вопросы: как утилизовать излишки СО2, накапливающиеся в атмосфере? Об использовании выбросов тепловых электростанций для обогрева теплиц уже говорилось. А нельзя ли захоронить большие объемы углекислого газа под землей – в истощенных угольных пластах или закачивать сжиженный CO2 в выработанные газовые скважины под морским дном?

Первые опыты захоронения углекислого газа в Норвегии и Канаде прошли успешно. А под Хойесвердом (Германия) уже строится первая в Европе элект ростанция «без CO2» – на ней будут производить электроэнергию из бурого угля при полном отсутствии выбросов двуокиси углерода.

Самый радикальный проект озвучил нобелевский лауреат, специалист по химии атмосферы Пауль Крутцен. Он предложил выпустить в страто сферу огромное количество сульфатов. Рассеявшись в виде аэрозольных частиц на высоте 10–50 км, сера должна снизить солнечную радиацию – эффект, сравнимый с последствиями сильнейшего извержения вулкана. (Первым эту идею высказал еще в 1974 году отечественный ученый М.И. Будыко.)

Миллион тонн серы в год, по мнению Крутцена, мог бы значительно снизить температуру нашей перегретой планеты. По подсчетам ученого, эти «инъекции» в атмосферу обошлись бы в 25–50 млрд долларов ежегодно. Не так уж много – ведь выполнение обязательств Киотского протокола будет стоить в 100 раз дороже. Но для осуществления проекта Крутцена не хватает пока научной базы, да и последствия до конца оценить невозможно. Где гарантия, что очередное вторжение в природу не обернется новой головной болью для человечества?

Источник: Экономичный-Экологичный Дом