Изменения климата: углекислый газ и парниковый эффект

Всемирная конференция по климату проходит в эти дни в Париже. Интерес к этому событию очень высок, так как глобальное потепление климата считается одной из важнейших проблем современности. Я в своем блоге просто не могу не уделить внимание этому вопросу и напишу серию статей, посвященных климатическим изменениям.

Вначале стоит дать небольшой исторический обзор проблемы глобального потепления. Основным механизмом потепления большинство ученых считает парниковый эффект, усиливающийся за счет увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере. Ответственность за это возлагается на хозяйственную деятельность человека. Поэтому главным героем первого рассказа станет углекислый газ.

Фото: FreeDigitalPhotos.net by xedos4

Все мы знаем, что углекислый газ присутствует в атмосферном воздухе в небольшой концентрации – около 0,04%. Он играет огромную роль во многих процессах как в живой, так и в неживой природе. Углекислый газ выделяется при дыхании и в то же время используется растениями для фотосинтеза. Он высвобождается в разных процессах окисления, в первую очередь при сжигании топлива. Углекислый газ растворяется в воде, и большой его объем содержится в Мировом океане. Он также выделяется из земных недр при извержениях вулканов.

С самого начала развития цивилизации люди вырубали леса, возделывали злаки, жгли дрова. Получается, что человек начал влиять на концентрацию углекислого газа в атмосфере задолго до того, как узнал о существовании и  свойствах этого вещества.

Оно было открыто в 1759 году шотландским ученым Блэком, который обнаружил, что при брожении вина выделяется неизвестный газ. Чуть позже англичанин Джон Пристли нашел у этого газа интересное свойство. Оказалось, что растения, помещенные в наполненный им сосуд, не погибают, а наоборот растут, и превращают углекислый газ в воздух, которым можно дышать. Механизм фотосинтеза был открыт намного позже, и теперь мы знакомимся с ним на школьных уроках биологии.

Но главные свойства углекислого газа, имеющие непосредственное отношение к климату, были установлены в 19 веке. Они связаны с излучением и поглощением солнечной энергии, то есть электромагнитных волн. Во-первых, физики обнаружили, что излучение Солнца не ограничивается видимым светом. При разложении света в спектр, термометр, помещенный за пределы его видимого участка, показывает повышение температуры. Так было открыто тепловое излучение, которое мы называем по-другому инфракрасным. Оно имеет длину волны больше, чем у видимого света, и испускается всеми нагретыми телами, в том числе и Солнцем. Кроме этого, было установлено, что некоторые вещества способны поглощать излучение в определенных узких частях спектра (эти диапазоны длины волны называют полосами поглощения). Во-вторых, вскоре после этого французский ученый Жозеф Фурье изложил принцип парникового эффекта. Он предположил, что часть теплового излучения, испускаемого земной поверхностью, поглощается атмосферными газами и излучается в обратном направлении. В результате температура поверхности и воздуха повышается.

В середине 19 века ученые разных стран – Бунзен и Кирхгоф в Германии, Тиндалл в Англии – исследовали поглощение лучистой энергии разными веществами. Так было открыто свойство углекислого газа поглощать тепловые или инфракрасные лучи и найдены его полосы поглощения. Тиндалл обнаружил, что инфракрасное излучение задерживается еще и другими газами: водяным паром и закисью азота N₂O.

Все эти открытия, как оказалось, имеют непосредственное отношение к пониманию климата нашей планеты. И знаменательной вехой здесь стало опубликование работы шведского ученого-химика Сванте Аррениуса. Аррениус сильно заинтересовался причиной возникновения ледниковых периодов в истории Земли. Чтобы объяснить их, он привлек механизм парникового эффекта, оказываемого углекислым газом. Ученый предположил, что в прошлом содержание углекислого газа в атмосфере могло сильно изменяться. Он проделал сложные расчеты и получил значения средней температуры воздуха на Земле при уменьшении и увеличении концентрации этого газа в два раза. В первом случае понижение температуры составляло 4-5 градусов Цельсия, что согласовывалось с распространением ледников в прошлом. В случае удвоения концентрации углекислого газа температура, по Аррениусу, должна повыситься на 5-6 градусов.

Примечательно, что ни сам Аррениус, ни другие ученые, поддержавшие его идеи, не предсказывали быстрого повышения концентрации углекислого газа в атмосфере. При существовавших тогда темпах роста промышленности для ее удвоения понадобилось бы несколько тысячелетий. Да и возможное потепление в то время рассматривали как благо для человечества. Немецкий ученый Вальтер Нернст даже предложил поджигать угольные пласты для повышения температуры воздуха за счет попадания в атмосферу дополнительного количества углекислого газа.      Фото: FreeDigitalPhotos.net by njaj

В первые десятилетия 20 века большинство ученых встретило теорию Аррениуса скептически. Против нее было выдвинуто несколько весомых возражений. Во-первых, в то время считалось, что практически все инфракрасное излучение, которое мог бы поглощать избыточный углекислый газ в атмосфере, перехватывается водяным паром (полоса поглощения паров воды перекрывает полосу поглощения СО₂). Во-вторых, заявляли ученые, любое дополнительное количество углекислого газа, попадающее в воздух, может со временем раствориться в океане. В третьих, сам факт повышения концентрации СО₂ в воздухе ставился под сомнение. Слишком большую погрешность имели методы ее определения, которые к тому же были очень дорогостоящими.

В то же самое время метеонаблюдения отмечали потепление климата, которое наблюдалось с конца 19 века до 40-х годов 20 века. Ученые объясняли его проявлением естественного цикла неизвестной природы. Все они сходились в одном: мы еще слишком мало знаем об атмосфере, чтобы делать какие-то твердые заключения. Лишь англичанин г. Каллендар в 1938 году высказался о том, что наблюдаемое повышение температуры может объясняться увеличением содержания углекислого газа. И только в 50-е годы были получены важные результаты исследований, говорящие в пользу этой гипотезы.

С появлением более совершенной аппаратуры для спектрального анализа выяснилось, что спектры поглощения газов представляют собой не сплошные полосы, а набор линий. Это означает, что углекислый газ может поглощать часть теплового излучения Земли, которая не задерживается водяным паром, особенно в более высоких слоях атмосферы, где влаги очень мало.

Исследования химических свойств морской воды показали, что углекислый газ может растворяться в ней только в определенных пределах. По этой причине избыток СО₂ будет накапливаться в атмосфере.

В начале 60-х годов углекислый газ неожиданно привлек к себе внимание ученых, когда выяснилось, что его содержание в атмосфере увеличивается. Такие результаты получил американец Чарльз Килинг, организовавший в 1958 году регулярные измерения концентрации этого газа на Гавайях на вершине вулкана Мауна-Лоа и в нескольких других пунктах, которые через некоторое время закрылись. Уже через несколько лет Килинг пришел к выводу, что углекислый газ накапливается в атмосфере с немалой скоростью. Усиление парникового эффекта перестало быть вопросом отдаленного будущего, изучение этой проблемы стало актуальной задачей современности.

Большую работу по оценке роста выбросов углекислого газа и его влияния на климат выполнил советский ученый Михаил Иванович Будыко. В 1962 году он спрогнозировал резкое увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере в ближайшие десятилетия и предсказал рост средней температуры воздуха на планете на несколько градусов. Будыко сделал вывод, что усиление парникового эффекта проявит себя уже к концу 20 века.

Термин «глобальное потепление» впервые использовал в 1975 году американский климатолог Уоллес Брокер, опубликовавший статью в журнале Science. Он употребил его для описания возможных последствий воздействия человеческой деятельности на климат.

В последующие годы вопрос антропогенного изменения климата стал все более активно обсуждаться не только в научном сообществе, но и за его пределами. Ему посвящается огромное количество исследований, которые выходят за пределы учения об атмосфере и затрагивают такие области знаний, как биология, био- и геохимия, экономика. В проектах по изучению потепления климата сотрудничают ученые из разных стран.

Международное сотрудничество в области изучения изменений климата развивалось на протяжении нескольких десятков лет. Оно прошло путь от организации международных научных конференций до создания в 1988 году Межправительственной группы экспертов в области изменения климата (МГЭИК) при Организации Объединенных Наций. За последующий период было опубликовано пять оценочных докладов МГЭИК, проведено 20 конференций ООН по климату. Двадцать первая конференция проходит в эти дни в Париже.

В настоящее время большинство специалистов, изучающих климат, сходится во мнении, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере играет заметную роль в наблюдающемся глобальном потеплении. Для сдерживания роста температуры воздуха предлагается ряд мер по ограничению промышленных выбросов углекислого газа. Под влиянием научного сообщества, экологических организаций и общественности в 1997 году состоялось подписание Киотского протокола. В последующие годы ученые и экологи пришли к выводу, что ограничений, устанавливаемых этим соглашением, не достаточно, чтобы остановить увеличение концентрации углекислого газа. Ожидается, что новый комплекс мер по ограничению воздействия на климат будет закреплен международным договором в ходе парижской конференции.