VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Мир становится теплее, и человечество в значительной мере ответственно за это, говорят эксперты. Но многие факторы, влияющие на изменение климата, еще не изучены, а другие и вовсе не изучены.

Жизнь процветает на планете около четырех миллиардов лет. В течение этого времени колебания климата были радикальными, от ледникового периода  до эпохи стремительного потепления.

Международная конференция по проблеме изменения климата, спонсируемая Объединенными нациями, ориентировочно заключила, что «многие доказательства свидетельствуют, что влияния человечества на глобальный климат огромны». Объем этих влияний, как замечают специалисты, неизвестно, так как не определен ключевой фактор, включая степень воздействия облаков и океанов на изменение глобальной температуры.

В последнее время деятельность человека оказывает беспрецедентное по масштабам и интенсивности воздействие на окружающую среду и глобальные системы жизнеобеспечения. 

Проблеме изменения климата уделяется очень большое внимание ввиду ее важности и актуальности. Колебания температуры воздуха, суммы осадков, а также других метеорологических величин, оказывают огромное влияние на деятельность человека и экономики в целом.

Цель работы - всестороннее изучение проблемы «парникового эффекта», его последствий и разработка мероприятий по снижению последствий глобального потепления.

Археологические исследования однозначно доказывают, что климат планеты Земля изменялся достаточно резко.

Три глобальные экологические проблемы последней четверти ХХ в. - перфорация озонового слоя Земли, кислотные осадки и усиление парникового эффекта. Они представляют реальную угрозу нормальному функционированию биосферы Земли.

Открытие фотохимического механизма разрушения озона в стратосфере Земли, успешное международное сотрудничество в реализации Венской конвенции по охране озонового слоя, Монреальский протокол по сокращению и затем полному прекращению выпуска озоноразрушающих веществ сняли остроту экологической проблемы озонового слоя.

Решение вопросов, связанных с кислотными осадками, в настоящее время не имеет принципиальных проблем и лежит сугубо в технической области.

Таким образом, на сегодняшний день главной экологической проблемой является проблема антропогенного изменения климата планеты, и в первую очередь - усиление парникового эффекта.

Парниковым эффектом называют природное явление, связанное с тем, что атмосфера, прозрачная для солнечной радиации, препятствует оттоку тепла в космическое пространство. Это обеспечивает постоянство среднегодовой температуры у поверхности Земли, относительную стабильность планетарного климата и большую временную константу климатических изменений. Углекислый газ и водяной пар являются основными парниковыми газами, задерживающими значительную часть длинноволновой инфракрасной (тепловой) радиации от поверхности Земли.

Усиление парникового эффекта происходит за счет увеличения содержания в атмосфере углекислого газа техногенного происхождения. Чтобы восстановить стабильность климата - необходимое условие устойчивого развития биосферы и человеческой цивилизации на Земле, надо остановить рост парникового эффекта [1].

Главная причина усиления парникового эффекта и неблагоприятных изменений климата планеты - это энергетика, сжигающая органическое ископаемое топливо.

Рост потребления энергии всегда считался важным условием технического прогресса и благоприятным фактором существования и развития человеческой цивилизации. Когда человек научился добывать огонь, произошел первый скачок в изменении уровня жизни. Дополнительным энергоресурсом к мускульной силе человека стали дрова. Следующий скачок был связан с изобретением колеса, созданием различных механизмов, развитием простейшего кузнечного производства. К XV в. список энергоресурсов значительно расширился - к собственной мускульной силе и дровам прибавились мускульная сила рабочего скота, энергия ветра, воды и угля. Энергопотребление возросло в 10 раз [2].

Дальнейший технический процесс шел по пути совершенствования методов использования энергии и освоения новых ее источников. XIX в. был назван веком пара. Затем наступила эпоха электричества, альтернативы которой пока не видно. Рост потребления энергии в настоящее время составляет около 5% в год, а рост населения чуть менее 2% в год.

Среди важнейших проблем, связанных с усилением парникового эффекта и потеплением климата, приоритетной является повышение уровня Мирового океана за счет таяния материковых ледников и морских льдов, теплового расширения океана. Подъем уровня моря - уже реальный факт.

Воздух является необходимым условием нашей жизни во многих аспектах. Весь поступающий на Землю солнечный свет (около 180 Вт/м²) приводит к тому, что Земля излучает инфракрасные волны.

Из-за атмосферы только часть этого тепла напрямую возвращается в космос. Оставшееся задерживается в нижних слоях атмосферы, которые содержат ряд газов - водяной пар, СО₂, метан и другие - которые собирают исходящее инфракрасное излучение. Как только эти газы нагреваются, некоторое накопленное ими тепло вновь поступает на земную поверхность. В целом, этот процесс называется парниковый эффект, главной причиной которого является избыточное содержание в атмосфере парниковых газов.  Часть этого излучения поглощается парниковыми газами в атмосфере, которые играют роль «одеяла», удерживающего тепло.

            С повышением температуры увеличится испарение воды из океанов, озер, рек и т.д.  

Увеличение объема выбросов СО₂, в основном от сжигания ископаемого топлива, объясняет, по крайней мере, около 60 % потепления на Земле, наблюдавшегося с 1850 года. Концентрация диоксида углерода в атмосфере возрастает примерно на 0,3 % в год, и сейчас составляет примерно на 30 % выше, чем до индустриальной революции.  

Во второй половине XX века началось резкое увеличение содержания в атмосфере так называемых парниковых газов - диоксида углерода, метана, оксида азота, фреонов и озона. Эти вещества действуют так же, как окна теплицы: пропускают сквозь себя солнечные лучи, но не дают теплу нагретой Земли рассеиваться в пространство. 

Климатическая система Земли включает в себя огромное число одновременно протекающих процессов. Эти процессы, идущие одновременно в живой и в неживой природе, имеют самую разную физическую природу и отличаются по энергетическим, пространственно-временным характеристикам, по степени их изученности [3].

            Несмотря на то что, общая продукция органических веществ в результате фотосинтеза, значительно выше уровня техногенного выброса СО₂, большая часть органического углерода, благодаря процессам дыхания, гниения, пожарам и т. д., снова возвращается в атмосферу в виде СО₂.

            Для долговременного извлечения СО₂ из атмосферы необходимо, чтобы значительная часть связанного в результате процессов фотосинтеза углерода оказывалась недоступна для процессов окисления.

Повышение температуры вод Мирового океана вслед за изменением среднепланетарной температуры Земли будет приводить к понижению растворимости углекислого газа (СО₂) в океанической воде. Излишек углекислого газа будет поступать в атмосферу.

Еще большее количество связанного СО₂ содержится в земной коре в виде карбонатосодержащих пород [4].

            Другим потенциально опасным природным источником СО₂ является метан-гидратные комплексы на дне Мирового океана. 

Подводя итог, можно сделать вывод об отсутствии в настоящий момент эффективных механизмов ограничения роста концентрации СО₂ в атмосфере. Относительная стабильность климатических параметров сегодня, в основном, связана с инерцией климатической системы.

Возможность предотвращения необратимых изменений климата Земли обусловлена реализацией целого комплекса мероприятий, включающих следующие направления: комплекс природоохранных мер; ограничение, а в перспективе и полный отказ от добычи и сжигания минеральных видов топлива; "конверсия энергетики"; комплекс мер по увеличению площади лесов, что позволит связать излишек атмосферного СО₂ и увеличить сырьевую базу лесной энергетики; искусственное изъятие СО₂ из атмосферы; регулирование количества падающей на Землю солнечной радиации.

            Выбор оптимальной стратегии в условиях неполноты информации, необходимость параллельного проведения широкого спектра исследований, ограниченность временных и материальных ресурсов - все это крайне усложняет задачу планирования необходимых для стабилизации климата Земли мероприятий.

После проведенной оценки мнений различных специалистов можно определить, что климат изменяется вследствие различных комбинаций различных климатических факторов, механизм многих из которых еще не понят современной наукой. Приведем перечень основных климатических факторов.

Солнечная радиация. Пролетевший 149 миллиардов километров, солнечный свет нагревает верхний слой атмосферы с интенсивностью 180 Вт/м². Одна треть этого тепла отражается обратно в космос.

Атмосфера. Тонкий баланс газов в атмосфере дает Земле среднюю температуру 15 ⁰С. Парниковые газы - водяной пар, СО₂, метан, оксиды азота и другие - задерживают энергию, отраженную земной поверхностью, и отражают ее обратно на землю.

Океаны. Покрывая 71 % площади земной поверхности, океаны являются главным источником атмосферного водяного пара. Океаны могут долгое время сохранять тепло и транспортировать его на тысячи километров.

Круговорот воды. Повышение температуры воздуха может означать увеличение испарения воды и таяния льда на воде и земле. Также водяной пар это самый действенный и эффективный парниковый газ. Однако образование облаков может иметь эффект похолодания.

Облака. Роль облаков не до конца изучена, но известно, что облака имеют двоякое действие: охлаждают, затеняя земную поверхность, и нагревают, задерживая отраженное земной поверхностью тепло.

Ледники и снежные покровы. Яркий белый цвет ледников и снежных покровов отражает солнечный свет обратно в космос, охлаждая планету. Таяние льдов в океанах понижает температуру воды.

Земная поверхность. Когда солнечная энергия попадает на земную поверхность, она превращается в тепло, часть которого быстро отражается в атмосферу. Горные ряды могут блокировать движение облаков, создавая засушливые местности по направлению ветра. Рыхлые земли могут впитывать большее количество влаги, делая воздух более сухим.

Воздействие человека. Добавляя парниковые газы в атмосферу, человечество вызывает глобальное потепление. Сжигание топлива - это главная причина увеличения концентрации СО₂. Скотоводство, сеяние риса и мусорные свалки увеличили уровень содержания метана в атмосфере. Аэрозоли, промышленные выбросы сульфатов отражают поступающий солнечный свет, образуя временный локализованный эффект похолодания.

Исследователи уверены в некоторых своих заключениях: глобальное потепление будет иметь прямые последствия для здоровья людей; повысится заболеваемость сердечно-сосудистыми, респираторными и некоторыми другими заболеваниями; рост числа травм, психологических расстройств и смертных случаев станет результатом повышения интенсивности и продолжительности тепловых и иных природных аномалий.

Подъем среднего уровня Мирового океана (на 10-30 см - произойдет к 2030 г. и на 30-100 см - к концу XXI в. вследствие нагрева и таяния ледников). В случае таяния Антарктического ледникового щита глобальный уровень моря поднимется более чем на 5 м. В течение XXI в. это, вероятнее всего, не произойдет.

Повышение уровня моря вызовет крупномасштабные наводнения, затопление прибрежных зон, ведущее к загрязнению систем водоснабжения, засолению пресноводных прибрежных акваторий, перемещению человеческих поселений [5].

Понижение влагосодержания почвы в летний период во внутриконтинентальных областях средних широт, вызванное более ранним окончанием таяния снегов и периодов дождей. Понижение влажности почвы в некоторых регионах приведет к их опустыниванию.

Потепление на 0,1 - 1,0°С за 10-летний период и засуха ограничат распространение лесов и приведут к замене 100-200 млн. га леса степными зонами. Произойдет сокращение территорий, занятых лесами.

Такое смещение географических зон растительности приведет к сокращению территорий, пригодных для жизни животных, т. е. произойдет обеднение земной фауны. Произойдет значительное сокращение видового многообразия растений и животных. Появятся новые виды, для которых эти условия более благоприятны. Расширятся возможности распространения вредных насекомых и микробов.

Миграция людей из районов наводнения, засухи, обеднения флоры и фауны приведет к распространению эпидемий в лагерях и поселениях для беженцев.

Обратная связь «среднепланетная температура - концентрация парниковых газов». В результате повышения среднепланетной температуры может произойти дальнейшее увеличение концентрации С0₂ и других парниковых газов уже за счет природных источников. Это так называемые положительные обратные связи. Рассмотрим наиболее существенные из них.

Повышение температуры вод Мирового океана будет приводить к понижению растворимости СО,. Излишек СО, будет поступать в атмосферу. Океаны являются гигантским резервуаром для С0₂, поскольку они содержат СО, в 50-60 раз больше, чем атмосфера, и в 20 раз больше, чем биосфера. Этот источник СО, представляет большую опасность.

Таким образом, глобальное потепление в большинстве случаев будет вызывать увеличение концентрации парниковых газов, что, в свою очередь, ускорит рост средне планетной температуры на Земле.

Оптимистический и реалистический прогнозы последствий глобального потепления для человеческой цивилизации. Специалисты лаборатории биофизики биоценозов Института биофизики клетки (ИБК) Российской академии наук рассмотрели несколько сценариев развития парникового эффекта при условии продолжающегося сжигания углеводородного топлива (угля, нефти, газа и др.) (доклад А. Карнаухова, 2000 г.). При этом учитывались процессы, происходящие в живой и неживой природе в условиях Земли.

            Одно из важнейших изменений может произойти в круговороте воды. Даже небольшое глобальное потепление может значительно увеличить влажность воздуха в связи с тем, что при подъеме температуры всего на 1°С содержание водяных паров в атмосфере возрастает на 6%. Это приведет к тому, что: в среднем будет больше облаков и дождей, но выпадение осадков будет очень неравномерным по пространству; в одних регионах увеличится риск проливных и штормовых дождей и наводнений;  в других регионах увеличится частота и продолжительность засух.

Так, для большей части Америки прогноз предсказывает уменьшение влажности почвы на 10-30%.

Еще меньше дождей будет в полупустынных и пустынных регионах, отчего пустыни начнут расширяться [2].

            Значительные изменения произойдут и в сельском хозяйстве. В целом в связи с повышением осадков не прогнозируется снижения урожаев и уменьшения количества пищи. Однако многие благодатные для сельского хозяйства регионы будут потеряны - залиты морской водой или обезвожены засухами. Сельскохозяйственные зоны сдвинутся в Канаду и Сибирь.

То, что антропогенное изменение атмосферы ведет к глобальному потеплению, было официально признано в конце 1980-х - начале 1990-х в докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), действующей под эгидой ООН. Под ее влиянием в Рамочной конвенции ООН по проблеме изменения климата (РКИК) на Глобальном саммите по устойчивому развитию в Рио-де-Жанейро (1992) была сформулирована задача достижения «стабильного содержания в атмосфере газов, вызывающих парниковый эффект, на том уровне, при котором исчезает опасность антропогенного вмешательства в баланс климатической системы Земли». Эту конвенцию подписали 186 стран, она начала действовать с 1994.

Считается, что возможную глобальную катастрофу можно предотвратить двумя методами снижения выбросов парниковых газов: изменение структуры топливного баланса стран мира путем перехода к менее «грязным» технологиям; широкое внедрение энергосберегающих технологий и очистных сооружений.

Поскольку воздушное пространство едино для всей планеты, то в борьбе с атмосферными загрязнениями основную роль отводят международным соглашением в рамках Киотского протокола. В основе Киотского протокола лежат идеи экономической теории прав собственности, разработанной англо-американским экономистом Рональдом Коузом.

Естественнонаучное обоснование Киотского протокола часто подвергают критике. Во-первых, сам факт долгосрочного глобального потепления вызывает сомнения у многих экспертов. Во-вторых, даже если действительно происходит устойчивое глобальное повышение температур, не очевидно, что решающую роль в этом играет именно деятельность людей. В-третьих, не очевидно, что глобальное потепление будет в целом для человечества катастрофично. 

Все эти сомнения, однако, не опровергают полезности создания механизмов глобального регулирования уровня загрязнений окружающей среды. 

Защита атмосферы включает комплекс технических и административных мер, прямо или косвенно направленных на прекращение или, по крайней мере, уменьшение возрастающего загрязнения атмосферы, являющегося следствием промышленного развития.

Территориально-технологические проблемы включают как вопросы местоположения источников загрязнения атмосферы, так и ограничения или устранения ряда отрицательных эффектов. Поиск оптимальных решений по ограничению загрязнения атмосферы данным источником интенсифицировался параллельно с ростом уровня технических знаний и промышленным развитием, - разработан ряд специальных мер по защите атмосферы. Кроме того, начинается интегрирование процесса поиска оптимальных решений по ограничению эффектов загрязнения атмосферы с комплексным подходом к защите атмосферы, которое и осматривает взаимосвязи между отдельными составляющими окружающей среды. Таким образом, исследование эффектов загрязнения атмосферы становится все более зависимой, но не менее важной частью в области защиты атмосферы.

Придание исследованиям по защите атмосферы целенаправленного характера - должно включать борьбу против ее загрязнения, особенно промышленного, а также от транспортных средств и других источников. Они не могут проводиться, например, только ради постановки задач, но должны указывать пути улучшения существующего положения. Таким образом, эта область исследований не может пассивно комментировать сложившуюся ситуацию и делать прогнозы, основывающиеся на данных самих "поставщиков загрязнений", она должна разрабатывать концепции, промежуточные и долговременные планы, а также конкретные программы, направленные на активное ограничение неблагоприятного хода событий, используя при этом локальную кратковременную тактику и долговременную общенациональную стратегию.

Главную меру по предупреждению глобального потепления можно

сформулировать так: найти новый вид топлива или поменять технологию

использования нынешних видов топлива. Это означает, что необходимо: уменьшить потребление ископаемого топлива. Резко сократить использование угля и нефти, которые выделяют на 60 % больше диоксида углерода на единицу производимой энергии, чем любое другое ископаемое топливо в целом; использовать вещества (фильтры, катализаторы) для удаления диоксида углерода из выброса дымовых труб углесжигающих электростанций и заводских топок, а также  автомобильных выхлопов; повысить энергетический коэффициент полезного действия; требовать чтобы в новых домах использовались более эффективные системы отопления и охлаждения; увеличить использование солнечной, ветровой и геотермальной энергии; существенно замедлить вырубку и деградацию лесных массивов; удалить с прибрежных территорий резервуары для хранения опасных веществ; расширить площади существующих заповедников и парков; создать законы, обеспечивающие предупреждение глобального потепления; выявлять причины глобального потепления, наблюдать за ними и устранять их последствия.

                                                                     Литература:                                                        

1. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды. - М.: Изд-во.Мир, 2007. 250 с.

2. Дроздов О.А. Арапов П.П., Лугина К.М., Мосолова Г.И. Об особенностях климата при потеплениях последних столетий // Тез. докл. Всеросс. науч. конф. Казань, 2000. С. 24-26.

3. Мазуров Г.И., Вишнякова Т.В., Акселевич В.И. Меняется ли климат Земли? // Материалы Междун. научно-практич. конф. Пермь, 2002. С. 57-60.

4. Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А., Шанталинский К.М. Изменчивость температуры воздуха и скорости ветра на востоке TXH в период 1966 - 1990 гг. // Метеорология на рубеже веков: итоги и перспективы развития. Тез. докл. Всеросс. науч. конф. Пермь, 2000. С. 35-36

5. Урманова А.Г., Наумов Э.П., Николаев А.А., Переведенцев Ю.П., Верещагин М.А., Шанталинский К.М. Проявления современного потепления климата Земли. М.: Изд-во Мир. 2007. 165 с.

 

Код для цитирования: Скопировать