Книга: Климат и деятельность человека

Влияние антропогенного роста CO2 на климат

<<< Назад
Вперед >>>

Влияние антропогенного роста CO2 на климат

Эта проблема в настоящее время — одна из центральных и наиболее важных при оценке естественного цикла CO2 в системе океан—атмосфера—биосфера в условиях антропогенного воздействия.

В результате сжигания топлива в атмосферу ежегодно поступает около 5 млрд. т углерода. Чтобы изменить эту ситуацию, потребовалось бы коренным образом перестроить технологию использования энергетических мощностей и источников топлива, что, вероятно, трудно осуществить быстро и легко, поскольку проблема эта глобальная и связана со всей структурой мировой экономики. На углеродном цикле, помимо сжигания топлива, сказывается и воздействие человека на биосферу и океан. Все это серьезно усложняет проблему. К тому же еще не ясно, приведет ли увеличение CO2 к неблагоприятным последствиям для человека.

Как говорилось, общие запасы топлива оцениваются около 1,3?1013 т условного топлива (около (5—8)?1012 т чистого С). При сжигании угля, нефти и газа на 1012 Дж в атмосферу выделяется соответственно 87, 71 и 51 т CO2.

Фактические данные указывают, что с начала индустриального развития общества, с 1860 по 1975 г. концентрация CO2 увеличилась с 290 до 333 ppm, что в пересчете на углерод с 617,2 до 702,4 Гт[6]. При коэффициенте перехода от C к CO2 3,664 это соответствует увеличению содержания CO2 в атмосфере с 2440 до 2574 Гт (в дальнейшем мы будем оговаривать цифры, относящиеся к C или CO2).

Всего за индустриальный период в атмосферу поступило свыше 240 Гт C (около 95 Гт за счет вырубки и сжигания лесов и 146 Гт непосредственно за счет сжигания ископаемого топлива). В то же время увеличение C в атмосфере оценивается в среднем порядка 85,2 Гт. Другими словами, менее половины CO2, поступившего в атмосферу за счет сжигания топлива, оставалось в атмосфере. Оставшаяся часть поглощалась океаном и биосферой. Более подробно эта картина иллюстрируется табл. 11. Если в 1960 г. годовой выброс C за счет сжигания ископаемого топлива составил, по данным различных авторов, 2,61—2,67 Гт/год, то в 1975 г. уже 4,8—5,0 Гт/год. В 1960 г. на долю угля, нефти и газа соответственно приходилось 56,2; 31,4 и 10,8% поступающего в атмосферу C. В 1975 г. соотношение между этими источниками было иным и составило 37,7; 44,1; 16,2 %[7]. Однако приведенную динамику ни в коем случае нельзя экстраполировать на будущее, так как со временем особенно в конце текущего и в следующем столетии, роль угля вновь возрастет.

Таблица 11. Сопоставление между индустриальными выбросами CO2 и его действительным увеличением в атмосфере

Годы Индустриальный выброс CO2, ppm Увеличение CO2 в атмосфере
Мауна-Лоа (Гавайские острова) Южный полюс Количество CO2, остающееся в атмосфере, %
ст. Мауна-Лоа ст. Южный полюс
1960 1,25 0,89 0,72 71 58
1961 1,24 0,68 0,65 55 52
1962 1,30 0,86 0,61 66 47
1963 1,37 0,46 0,61 34 45
1964 1,46 0,60 0,62 41 42
1965 1,52 0,62 0,67 41 44
1966 1,59 0,67 0,74 42 47
1967 1,63 0,78 0,84 48 52
1968 1,73 0,88 0,98 51 57
1969 1,82 1,89 1,13 104 62
1970 1,96 1,32 1,32 67 67
1971 2,02 1,04 51

Среднее 54% ± 15%

Рассматриваемая задача осложняется еще и тем, что имеются и другие источники антропогенного поступления CO2 в атмосферу: сжигание лесов, промышленной древесины и ее отходов, культивация земель, минеральные источники и т.д. За счет этого поступает дополнительно от 2 до 5 Гт C в год, а в сумме поток антропогенного C в атмосферу дает 7—10 Гт C в год. Всего в атмосфере остается 25—30% антропогенного C, на долю же океана и биосферы приходится около 70%[8].

Существует еще один антропогенный источник C — биосферного происхождения (воздействие на почву, растительность и др.). До середины нашего столетия за счет этого источника С поступало больше, чем от сжигания ископаемого топлива. Позже рост CO2 за счет сжигания ископаемого топлива стал преобладать. В настоящее время по данным радиоуглеродного анализа колец деревьев отношение C, поступившего за счет сжигания ископаемого топлива, к биосферному источнику антропогенного происхождения составляет 2:1.


Рис. 21. Результаты моделирования предполагаемого роста CO2 с учетом антропогенных источников в системе атмосфера—биосфера—океан.

а — скорость выброса антропогенного C; б — содержание C в атмосфере без воздействия на леса; в — то же, при условии ежегодной вырубки 1 % южных лесов


Рис. 20. Интенсивность антропогенного роста CO2 в атмосфере

Определить антропогенное влияние на общее содержание CO2 в атмосфере невозможно, если не исследовать в целом естественный цикл C в системе океан—атмосфера—биосфера при наличии двух источников — сжигания ископаемого топлива и воздействия на биосферу.

Прежде всего нужно охарактеризовать динамику во времени антропогенного поступления CO2 в атмосферу. Сделать это можно при знании роста добычи топлива, технологии очистки продуктов сжигания и процесса воздействия на биосферу, что само по себе пока еще не поддается точному прогнозу. Однако, принимая во внимание темпы роста населения и скорость роста добычи топлива, можно оценить роль антропогенных источников или, по крайней мере, диапазон изменений этих источников.

На рис. 20 приведен график, характеризующий скорость поступления CO2 в атмосферу при различной интенсивности антропогенных источников. Расчеты показывают, что изменение темпов роста от 6,53 (R0 = 0,0653) до 1,53% (R0 = 0,0153) сдвигает время наступления максимальной концентрации с середины следующего столетия к середине XXIV в. Сжигание всего разведанного химического топлива привело бы к увеличению максимальной концентрации CO2 в атмосфере, которая в 8—11 раз превысит концентрацию доиндустриального периода. Влияние океана и биосферы уменьшает эту концентрацию.

Определенное количество CO2, которое будет оставаться в атмосфере, и динамика этого процесса могут быть оценены на основе результатов математического моделирования углеродного цикла, которое осуществляется с помощью так называемых блочных (линейных, нелинейных, комбинированных) математических моделей. Наиболее оптимальны 5—6-блочные модели с указанными выше двумя антропогенными источниками. Атмосферу в этих моделях чаще всего рассматривают как единый резервуар. В ряде современных моделей атмосферу подразделяют на два резервуара, два блока с различными свойствами — тропосферу и стратосферу. Для атмосферы характерно хранение C в виде различных соединений (главное CO2).

Земная биосфера поглощает CO2 в процессе синтеза и хранит C в стволах деревьев, почве, перегное, листве и др. В современных моделях биосферу подразделяют на короткоживущую биоту с характерным временем перемешивания около 2,5 лет (листья, трава и др.) и долгоживущую с характерным временем перемешивания порядка 60 лет. В биосфере содержится около 835 Гт C, хотя по различным оценкам данная цифра несколько колеблется. Около 90% C сосредоточено в лесах.

Роль океана в цикле CO2, по мнению большинства исследователей, исключительна велика, поскольку он является основным источником C и хранителем излишков индустриального CO2. Обычно океан разделяют на два слоя: верхний, хорошо перемешанный толщиной порядка 75 м (деятельный океан), в котором содержится 600—750 Гт C (т. е. примерно столько же, сколько и в атмосфере)[9], и глубинный, медленно перемешивающийся, в нем около 40 тыс. Гт C, т. е. примерно в 50 раз больше, чем в атмосфере и деятельном слое. Часть C глубинного океана находится в виде бикарбонатных ионов и около 1 тыс. Гт в виде растворенного органического вещества[10]. Общее содержание C в почве колеблется от 1 тыс. до 3 тыс. Гт. Это объясняется различными оценками содержания торфа.

Между атмосферой, биосферой и океаном существует непрерывный обмен CO2, причем скорость его зависит от климатического режима. Так, скорость обмена CO2 между атмосферой и деятельным слоем океана обусловлена температурой воды. В результате в высоких широтах поток CO2 направлен в основном из атмосферы в океан, а в южных районах из океана в атмосферу. Наличие загрязняющих океан пленок нефти может уменьшить этот обмен.

Время полного обмена между глубинным океаном и его деятельным слоем порядка 300 лет, между деятельным слоем и глубинным океаном 4—6 лет. Между атмосферой и биосферой и биосферой и атмосферой время обмена соответственно 33 и 40 лет, а между атмосферой и деятельным океаном 5—6 лет[11].

Результаты математического моделирования углеродного цикла с моделями различной сложности зависят от типа и параметров модели, скоростей обмена и т.д. Однако общая качественная картина получается сходной. Результаты моделирования с одной из последних и наиболее полных моделей углеродного цикла, учитывающей влияние биосферы, иллюстрирует рис. 21. На рис. 21б, в приведены результаты моделирования при различных значениях параметра биологического роста (?), характеризующего скорость поглощения антропогенного CO2 биосферой. Чем больше ?, тем больше антропогенного CO2 переходит в биосферу. После того как концентрация антропогенного C в атмосфере достигнет максимума, что происходит вслед за максимальным его выбросом, в атмосфере начинается спад концентрации. В пределе концентрация стремится к величине (порядка 10—20%), не намного больше имевшей место в доиндустриальный период в атмосфере. Однако максимальная концентрация C (CO2) в атмосфере будет в 5,5—7 раз выше, чем в предындустриальный период.

Равновесие наступает в результате перекачки антропогенного C в океан и биосферу к концу XXIII в. При этом CO2 увеличится в океане и во всех биосферных резервуарах (в рассматриваемой модели имелось 14 резервуаров, из них 8 биосферных). Основным поглотителем CO2 является все же океан. При этом между 2060 и 2260 г. в глубинном океане CO2 накапливается постоянно. Максимальная концентрация в глубинном океане и деятельном его слое достигает 41 021—42 456 Гт (в начальный период 38 420 Гт) в зависимости от ?, т. е. от той доли антропогенного CO2, которую берет на себя биосфера.

К 2000 г. масса C в атмосфере достигнет 798,1—892,2 Гт в зависимости от параметров модели. Увеличение по сравнению с 1960 г. составляет 21—30%, что, возможно, несколько завышено, поскольку на 1975 г. при некоторых параметрах модель дает завышенные значения CO2 в атмосфере. Тем не менее к концу XX в. увеличение CO2 в атмосфере на 20—25%, по-видимому, реально. Двойная концентрация CO2 по данным этих экспериментов может быть достигнута в середине XXI в. или позже в зависимости от темпов антропогенного поступления CO2.

Время достижения максимальной (от четырех- до семи-восьмикратной) концентрации при разных параметрах модели колеблется для атмосферы между 2135 и 2195 г., для глубинного океана — между 2285 и 2345 г., а для деятельного слоя океана — между 2155 и 2170 г.

Приведенные оценки относятся к числу наиболее реалистичных. Однако рассматривая влияние антропогенного роста CO2 на климат, обратим внимание на дву-, трехкратное увеличение CO2. Дело в том, что для биосферы и человека многократное увеличение CO2 не представляет никакой опасности, а во многих отношениях, главным образом с точки зрения ускорения роста растений, оно даже выгодно. По существующим оценкам двукратное увеличение антропогенного CO2 может вызвать рост деревьев в течение следующих 200 лет.

Полосы поглощения углекислым газом тепловой радиации обладают пределом возможного поглощения. В связи с этим тепличный эффект (подъем температуры в нижней тропосфере) по мере роста концентрации CO2 после его двукратного увеличения замедляется и при возрастании концентрации более чем в 2—3 раза тепличный эффект проявляет себя примерно так же, как и при дву-, трехкратном увеличении CO2. Поэтому влияние роста CO2 обычно оценивают при дву-, трехкратном увеличении его в атмосфере, т. е. к середине или к концу следующего столетия (по мнению некоторых специалистов, для начала следующего столетия эта оценка явно завышена).

На рис. 22 приведены результаты численных экспериментов, выполненных в США. Как видим, рост концентрации CO2 более чем в 2 раза меняет результаты, при четырехкратном увеличении эффект заметен, но далее он ослабевает.

Практически все численные эксперименты указывают на рост температуры в нижней тропосфере и охлаждение атмосферы в верхней тропосфере и стратосфере. Вследствие этого увеличиваются вертикальный температурный градиент, неустойчивость атмосферы, конвективные движения, облачность и осадки. В результате возникающей здесь обратной связи (увеличение альбедо и отраженной радиации) роль тепличного эффекта уменьшается. Подъем температуры в полярных районах может достигать 8—10° С (в средних и низких широтах 1—2° С).

По оценкам различных моделей средняя для полушария величина повышения температуры за счет тепличного эффекта от 0,7—0,8 до 9,6° С у поверхности. Наиболее реальны, по-видимому, оценки тепличного эффекта в среднем для полушария у поверхности в 2—2,5° С при двукратном увеличении CO2.

Однако некоторые исследователи показали, что чистое увеличение температуры при удвоении концентрации CO2 составляет всего 0,25° С. Остальной же рост температуры обязан побочному тепличному эффекту, связанному с повышением испарения и увеличением содержания в атмосфере водяного пара, который обладает сам тепличным эффектом.

Какие же последствия могут быть вызваны увеличением CO2? Прежде всего — это возможное изменение режима осадков и испарения, потепление климата, наиболее сильное в высоких широтах, отступление снеговой линии, таяние ледников, нестабильность ледяного покрова, нарушение циркуляции атмосферы и океана, частые засухи.

На ряде отраслей народного хозяйства многие из этих изменений не обязательно скажутся отрицательно, для лесов и сельского хозяйства, наоборот, вероятен даже положительный эффект. Однако при потеплении климата и океана может увеличиваться поток CO2 в атмосферу. В этом случае может усилиться тепличный эффект, растаят континентальные льды, повысится уровень океана, будут затоплены прибрежные районы и др. Так, Болин считает, что при потеплении климата уровень океана начнет повышаться на 1 мм в год (за 100 лет на 10 см). По данным Гриббина, повышение уровня океана вследствие таяния льда в Антарктике составит 5 м за 300 лет. Эти оценки слишком приближенные. Тем не менее в любом случае, если научные исследования подтвердят вероятность того, что воздействие на биосферу и сжигание ископаемого топлива представят серьезную угрозу окружающей среде и климату, перед человечеством возникнет ряд серьезных проблем. Главная из них — замена ископаемого топлива альтернативными энергетическими источниками. Среди них основное место будут занимать ядерная, солнечная и ветровая энергия, энергия океана, геотермальное тепло. Большинство из этих источников энергии зависит от климата.


Рис. 22. Результаты модельных расчетов по изменению температуры в атмосфере при двукратном (а) и четырехкратном (б) увеличении CO2 в атмосфере

Имеются, однако, основания предполагать, что проблема CO2 при всей ее важности может оказаться и преувеличенной, а скорее всего даже не единственной при рассмотрении тепличного эффекта. Действительно, за 100 лет, с 1860 по 1960 г., количество CO2 в атмосфере возросло на 12—13%, но климат за это время не потеплел, а в последние десятилетия даже похолодал.

Помимо CO2 и другие малые примеси, например фреоны (хладоны), обладают тепличным эффектом. Фреоны — одна из разновидностей фторхлоруглеродных соединений. Они поступают в атмосферу вследствие их применения в разного рода промышленных и бытовых установках (рефрижераторы, холодильники, системы кондиционирования воздуха и др.) и при производстве товаров широкого потребления (аэрозольные упаковки — распылители парфюмерных и косметических товаров, инсектицидных препаратов, лаков, красок и т. п.).

В настоящее время около 85—87% общего производства фреонов попадает в атмосферу. Поскольку время жизни Ф-11 и Ф-12 соответственно 50 и 70 лет, они накапливаются в атмосфере, и в этом их главная опасность. По имеющимся оценкам в атмосферу с 1958 по 1975 г. выброшено около 2,9?106 т Ф-11 и 4,4?106 т Ф-12. При этом доля США составила соответственно 42 и 50%, а доля СССР всего 13 и 4,8%.

Фреоны оказывают двоякое действие на атмосферу. С одной стороны, они разрушают озонный слой и вызывают вследствие этого неблагоприятные биологические эффекты, с другой — подобно CO2 и некоторым другим малым примесям) (например, N2O, СН4, CCl2F2, NH3, водяному пару и др.), обладают тепличным эффектом.

Таблица 12. Сравнение возможных изменений концентрации фреонов и CO2 в будущем и связанные с этим изменения температуры у поверхности для двух вариантов будущего роста фреонов

Год Концентрация фреонов в атмосфере при уровне производства на 1973 г. Концентрация фреонов при росте производства 10% в год Оценка эффекта CO2, основанная на модели Манабе
Концентрация, ppm Изменение t у поверхности, °С Концентрация, ppm Изменение t у поверхности, °С Предполагаемая концентрация CO2, ppm Изменение t у поверхности, °С
Ф-11 Ф-12 Ф-11 Ф-12
1975 0,09 0,21 0,06 0,09 0,21 0,06 330 0,00
1980 0,15 0,29 0,09 0,17 0,32 0,09 340 0,10
1990 0,25 0,44 0,10 0,50 0,80 0,30 360 0,30
2000 0,32 0,58 0,20 1,40 2,1 0,70 390 0,50

Интенсивность полос поглощения инфракрасной радиации Ф-11 почти в 5 раз, а Ф-12 почти в 4 раз больше, чем интенсивность поглощения инфракрасной радиации группой полос CO2. Только из-за малой концентрации фреонов по сравнению с CO2 их эффект пока незаметен. На 1975 г. концентрация Ф-11 и Ф-12 в атмосфере составила соответственно 0,09 и 0,21 ppb (ppb — единица измерения, которая в 1000 раз меньше ppm). Расчеты показывают, что, если рост производства этих фреонов будет составлять соответственно 10 и 5% в год, через 100 лет их концентрация увеличится в 25441 и 310 раз. Если даже выпуск фреонов в атмосферу будет соответствовать нынешнему уровню, через 100 лет количество их в атмосфере возрастет в 120 раз. При сокращении выброса фреонов на 5% в год концентрация их через 100 лет увеличится всего в 2,2 раза.

Возможные изменения температуры при различных темпах роста фреонов, а также их сравнение с тепличным эффектом приведены в табл. 12.

Из данных таблицы, которые, безусловно, нуждаются в уточнениях, особенно в части поглощательных свойств фреонов, видно, что эффект влияния фреонов должен усиливать влияние тепличного эффекта за счет CO2. Тот факт, что этого пока не наблюдается, объясняется как малой концентрацией этих газов, так и влиянием других малых примесей, которые оказывают эффект, обратный тепличному. Поэтому существует необходимость совокупной оценки влияния всех малых примесей, в том числе обладающих способностью поглощать не только инфракрасную, но и ультрафиолетовую радиацию и компенсировать влияние тепличного эффекта.

В первую очередь сюда следует отнести азотный цикл в атмосфере в связи со сжиганием топлива, ядерными взрывами, внесением азотных удобрений и др. Образующиеся азотные соединения играют важную роль в фотохимии озона и поглощении коротковолновой солнечной радиации. Далее идет серный цикл. Выбросы в атмосферу серных соединений в результате деятельности человека почти целиком представляют двуокись серы. S окисляется в H2SO4 и в конечном итоге переходит в аэрозоль. Последний влияет на климат главным образом через стратосферный мелкодисперсный аэрозоль, состоящий из соединений S. Кроме того, образующаяся при соединении двуокиси серы с водой H2SO4 попадает в облака и осадки, а через них в почву, окисляя ее, и в водоемы, влияя на рыбный промысел.

Все эти факты заслуживают самого внимательного анализа при оценке воздействия малых компонентов на климат и в целом на окружающую среду.

<<< Назад
Вперед >>>

Генерация: 1.090. Запросов К БД/Cache: 3 / 1
Вверх Вниз