Книга: Климат и деятельность человека

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

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

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.